固态混合电势气体传感器的原理和应用
发布时间:2022-07-19 11:02:54
  行为是由于氧气的阴极还原反应和还原性气体的阳极氧化反应在电极上同时发生造成的,并将两个反应达到平衡时所产生的电势称之为混合电势  电极是良好的氧化催化剂,使得还原性气体在高温下能够在到达三相界面之

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  行为是由于氧气的阴极还原反应和还原性气体的阳极氧化反应在电极上同时发生造成的,并将两个反应达到平衡时所产生的电势称之为混合电势

  电极是良好的氧化催化剂,使得还原性气体在高温下能够在到达三相界面之前完全被氧化;而在低温下,气体的氧化则主要受到

  ,多种器件原型已被制备出来,但是能实际应用的商业产品仍未出现,因为大多数器件没有足够的长期稳定性。想进一步改进这些传感器的办法是用具有更好的热、化学稳定性的金属氧化物取代贵金属电极,这不仅能使传感器的工作温度更高,而且能够扩大测量目标气体的种类。

  电极在高温下会迅速再结晶长大而失去催化活性,这使得传感器在高温工作时没有长期稳定性。电极的长期热、化学稳定性和大规模制备可重复的传感器结构是混合电势气体传感器的主要障碍,用耐高温并具有良好活性的氧化物电极材料取代金属电极为改进传感器选择性和长期稳定性提供了前景。

  等。两电极置于由含氧气和还原性气体组成的被测混合气体同一侧,可以无需参比气体。各电极的氧化还原反应速率的差异会产生不同的混合电势,混合电势器件的响应就是两电极间混合电势差。

  当多个电化学反应在电极上发生时,平衡电势就是混合电势,它来自于电极上各个反应的竞争。采用具有不同催化作用的电极材料的固态混合电势电化学传感器在不同的电极上产生不同的平衡电势。对于低浓度的分析气体,可能的控制过程有质量传输过程和电荷传输过程,而分压比较高的氧气的控制过程主要是电荷传输过程,这些过程就决定了混合电势传感器的各种响应模式。

  发生电化学过程中的电荷传输控制。当这些传感器在测量气体浓度远低于氧气浓度时,被测气体的扩散成为整个电极反应控制的速度控制步骤,也就是质量传输限制机理。

  一些带有参比电极的混合电势器件测量电池电势接近于平衡氧电势。这意味着还原性气体的氧化反应出现在高过电位,而氧气的还原反应出现在低过电位。如果

  、在锅炉气氛控制和汽车尾气排放控制系统的应用,这是为了满足全球环境保护的要求。汽车尾气中各种有害成分通常高达几百

  、在煤矿和天然气开采等危险环境中对易燃易爆气体进行监测。采矿特别是煤矿和天然气开采环境中含有大量可燃气体,具有爆炸性的危险,所以必须用传感器来检测这些危险气体成分,保证采矿生产安全正常运行。

  、用于各种户外环境气体或者家居有害气体的检测。当前环境保护法规越来越严格,人类也越来越关心户内户外的环境气体对人体的影响,也就需要传感器来检测各类环境气体的变化。正是这些应用需求为混合电势传感器提供巨大的市场。

  混合电势理论是具有优良性能的混合电势传感器的基础,也是制备下一代各种气体传感器的基础。混合电势传感器能够快速原位在线直接测量各种环境气体,并且应用市场广阔,但这些传感器也有一些限制因素,而改善这些限制因素的研究正是这一领域的发展方向

  、通过研究电极材料和电解质材料来扩大传感器的工作温度范围。一方面,在较低的温度下,传感器能够准确有效的输出信号;另一方面,在高温下,传感器要具备一定的抗高温老化和抗中毒性能。

  、要降低混合电势传感器的生产成本,必须进行大规模生产,而生产的高效率则必须依赖于传感器制备工艺的自动化。

  、混合电势传感器通常带有复杂的电子电路。如果没有精确控制的电子电路,传感器的反馈控制功能也无法实现。因此有必要将包括传感器、电子电路、软件等各部分作为一个整体模块进行研究,来提高整个混合电势传感器的可靠性和实用性。

  以混合电势响应为基础的固态高温气体传感器为各种还原性气体提供了一种简单快速并且低成本的原位在线测量。这些传感器响应机理因电极材料、电极微观形貌等不同而有所变化,主要分为混合电势与被测气体浓度呈对数关系或者线性关系两种类型。其响应行为取决于电极反应的

  动力学方程的具体形式和气体扩散的质量传输限制。电化学动力学和不同催化电极性能是描述这一传感器响应性能的必要条件。本文通过对四种可能传感控制

  的比较表明了可以研制出具有稳定输出、选择性好、灵敏度高的混合电势传感器,这类传感器将具有巨大的研究价值和市场前景。

  W. J. Fleming. Physical principles governing nonideal behavior of the zirconia oxygen sensor.

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