一種雙固體電解質co的製作方法

2023-06-17 14:30:26 5

專利名稱：一種雙固體電解質co的製作方法
技術領域：
本發明屬於化學氣體傳感器技術領域，提供了一種雙固體電解質CO2傳感器，可以感知氣相中CO2濃度，用於對氣相環境中的CO2濃度進行檢測和控制。
背景技術：
隨著工業、農業、和交通運輸業的迅速發展，煤、石油等含碳燃料被大量使用，導致大氣中CO2含量增多，而CO2是引起「溫室效應」的主要因素，因此，在燃料燃燒、汽車、空調、生物、醫療以及其它許多場合中都迫切要求對CO2濃度進行監測控制，CO2傳感器也就成為國內外急需開發的產品。雙固體電解質CO2傳感器以其可靠性高、價格低廉、攜帶方便、靈敏度高等特點而備受關注。儘管已有很多關於雙固體電解質傳感器的報導，但是，在雙固體電解質傳感器的設計中仍然存在著一些基本理論問題，例如在電池電動勢表達式中未包含兩種電解質的接界電位等。可以說這些問題在所有的雙固體電解質傳感器中都普遍存在。嚴格地講，如果這些問題不能得以解決，那麼雙固體電解質傳感器的電動勢表達式在理論上是不嚴格的，應用時是不準確的。因此，有必要對雙固體電解質傳感器的電池電動勢表達公式進行修正，使其能夠更準確地測定氣體的濃度。
在目前發表的文章和專利中，尚未見到與本發明相同的傳感器。

發明內容
本發明的目的在於提供一種雙固體電解質CO2傳感器，並解決電池電動勢(EMF)表達式中未包含兩種電解質的接界電位等問題，對該類型雙固體電解質傳感器的電動勢公式進行不可逆熱力學修正，從而提高傳感器的測量精度；在Naβ-Al2O3中摻入鈉玻璃的方法，既可以降低Naβ-Al2O3的燒結溫度，從而降低傳感器的製作的難度，又可以提高Naβ-Al2O3中Na2O的活度，保證了傳感器的測量精度。
本發明的傳感器由兩種固體電解質材料複合組成，其中一種是氧離子傳導的固體電解質，如摻雜氧化鋯，另一種為陽離子傳導的固體電解質，如Na+離子傳導的Naβ-Al2O3，製成片狀或圓柱形等多種外形，用含上述陽離子的碳酸鹽做輔助電極，連同電極引線，便構成這種新型雙固體電解質CO2傳感器；在兩種固體電解質都具有離子傳導能力的溫度下，傳感器產生的電動勢與被測氣相中的CO2濃度存在單值函數關係，因而通過測定傳感器的電動勢(EMF)即可得知氣相中的CO2濃度。
本發明所述的兩種固體電解質通過燒結或粘結進行複合，碳酸鹽通過溶液蒸發乾燥的方法塗覆在連接陽離子固體電解質的電極周圍。電極可以通過一多孔貴金屬層與固體電解質相連。為降低Naβ-Al2O3的燒結溫度，並增大其中Na2O的活度，可在Naβ-Al2O3電解質中摻入鈉玻璃。摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質量比(0.5∶1～1∶1)進行稱量，混勻，即得所需的Na+離子傳導Naβ-Al2O3電解質粉體。
傳感器的工作原理本發明之雙固體電解質CO2傳感器可看作如下的雙電解質電池CO2，O2，Pt|Na2CO3|Naβ″-Al2O3|MSZ|Pt，CO2，O2因為兩個電極處於相同的氣氛中，O2的分壓相同，因此總的反應方程式可表示為
根據經典熱力學得到上述電池的電動勢表達式為E=-G02F-RT2FlnaNa2OPCO2p0---(1)]]>經不可逆熱力學修正後，電池電動勢表達式為E=-G02F-RT2FlnaNa2OPCO2P0+(1-tNa+)RT2FlnaNa2O+(tO2--tNa+)RT4FlnPO2PO2(M)---(2)]]>這裡，tNa+是Naβ″-Al2O3固體電解質中的電子和鈉離子遷移數，tO2-是MSZ中氧離子遷移數，它們的其大小可利用Wagner直流極化法進行測定；aNa2O是摻雜鈉玻璃的Naβ″-Al2O3中Na2O的活度；PO2″和PO2′分別是MSZ相左右邊界的氧分壓，ΔG0是上述反應的Gibbs自由能，可通過熱力學數據計算得知。
本發明的優點在於傳感器兩極處於相同的氣氛中，無需參比電極，因而可以製成片式或其它形狀；傳感器對CO2的敏感性優良；採用經不可逆熱力學修正的電動勢公式大大提高了傳感器的測量精度。製備簡單、工作可靠、使用方便。


圖1為本發明CO2傳感器的示意圖。
圖2為本發明500℃時傳感器電動勢與二氧化碳分壓的關係圖，其中，橫坐標為傳感器輸出的電動勢EMF值，縱坐標為待測氣相環境中CO2分壓的對數。
圖3為本發明傳感器電動勢與溫度的關係圖。其中，橫坐標為傳感器輸出的電動勢EMF值，縱坐標為傳感器所處的溫度。
具體實施例方式
圖1～圖3為本發明的一種具體實施方式
。
實施結果圖1為本發明CO2傳感器的示意圖。
在300～900℃溫度範圍，實驗測定得到摻雜鈉玻璃的Naβ″-Al2O3中Na2O的活度為LogaNa2O=-10098T-2.73---(3)]]>實驗測定的傳感器電動勢隨測試環境中CO2濃度以及溫度的變化如圖2和圖3所示。
圖2為溫度保持在550℃時，在不同二氧化碳分壓下測得的傳感器電動勢值。圖中實測電動勢的斜率為35.21mV/ln(Pco2/P0)，求得電池的電子交換數n＝2.01，與理論值n＝2符合得很好。而且從圖2可以看到，實際測得的電動勢值與修正公式計算得到的電動勢值符合得很好，誤差小於3mV；而與未經修正公式的計算結果相差較大，近15mV。
圖3給出了CO2濃度保持在50％時，在不同溫度下測定的傳感器電動勢值。從圖3同樣可以看到測量值與修正後的電動勢計算值符合得很好，而與未經過修正的電動勢計算值相比有較大的偏差。
權利要求
1.一種雙固體電解質CO2傳感器，其特徵在於傳感器由兩種固體電解質材料複合組成，其中一種是氧離子傳導的固體電解質，另一種為陽離子傳導的固體電解質；所述的氧離子傳導的固體電解質為摻雜氧化鋯，所述的陽離子傳導的固體電解質為Na+離子傳導的Naβ-Al2O3；製成片狀或圓柱形等多種外形；用含上述傳導陽離子的碳酸鹽做輔助電極，連同電極引線便構成這種雙固體電解質CO2傳感器；在兩種固體電解質都具有離子傳導能力的溫度下，傳感器產生的電動勢與被測氣相中的CO2濃度存在單值函數關係，因而通過測定傳感器的電動勢即可得知氣相中的CO2濃度。
2.一種製備權利要求1所述的CO2傳感器的方法，其特徵在於兩種固體電解質通過燒結或粘結進行複合，碳酸鹽通過飽和溶液蒸發乾燥的方法塗覆在連接陽離子固體電解質的電極周圍；電極通過一多孔貴金屬層與固體電解質相連。
3.按照權利要求2所述的的方法，其特徵在於為降低Naβ-Al2O3的燒結溫度，並增大其中Na2O的活度，在Naβ-Al2O3電解質中摻入鈉玻璃，摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質量比1∶1進行稱量，混勻，便得所需的Naβ-Al2O3固體電解質粉體。
全文摘要
本發明提供了一種新的雙固體電解質CO
文檔編號G01N27/28GK1746669SQ20051008642
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月14日 優先權日2005年9月14日
發明者李福燊, 張豔紅, 王嶺, 李麗芬 申請人:北京科技大學