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基于NASICON的高灵敏氯气传感器的研究

氯气传感器.png

随着近年来我国工业化进程的步伐不断加快和人民生活水平的不断提高,工业中化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、室内装修所释放出的有毒有害气体对人们的身体健康以及生命财产安全造成的威胁越来越明显。因此,开发研制能够检测和控制有毒有害气体的传感器有着十分重要意义。本文的主要工作就是研究设计结构紧凑、灵敏度高和稳定性好的氯气传感器。

本文从NASICON材料的制备和表征出发,利用NASICON作为电解质,利用掺杂碱土金属碳酸盐的亚硝酸钠和金属氧化物分别制作了电流型和混成电位型气敏元件,通过对材料的表征和对器件的气敏性能的测试,得出如下结论:

一、溶胶凝胶法制备NASICON材料成分纯净,不易压制成片,适合于制作管式混成电位型传感器,高温固相法制备的NASICON材料含有微量杂质,易压制成片,所制NASICON陶瓷致密、均匀适于制作片式电流型传感器;

二、以高温固相法制备的NASICON电解质, Au+碱土金属碳酸盐掺杂的NaNO2作为对电极制作了固体电解质电流型传感器:(1)工作温度200℃,器件对NO2气体的测试范围可达到10-100 ppb;(2)经过对比实验,以Au+SrCO3掺杂的NaNO2作为对电极的NO2传感器的灵敏度最高;(3)9 wt.%为SrCO3的最佳掺杂比例,在200℃工作温度下,传感器对10-100ppbNO2气体的△I的变化(斜率)最大为3.7×103nA;(4)传感器的敏感机理可以由对电极和敏感电极上发生的电化学反应合理地解释。

三、以溶胶-凝胶法制备的NASICON材料作为电解质,金属氧化物(Cr2O3,CuO, ZnO, WO3, NiO, SnO2, Fe2O3, Co3O4)为敏感电极材料,设计并制作了一种埋藏式结构的混成电位型气体传感器,器件对Cl2具有良好的气敏特性:(1)以Cr2O3作为敏感电极的Cl2传感器表现最高的灵敏度(斜率)为-119mV/decade,传感器的测试范围为1-50ppm;(2)传感器的最佳工作温度为300℃,传感器的电位变化值与氯气浓度的对数表现出比较好的线性;并且传感器对10ppm氯气的响应时间在5s以内,恢复时间在10s以内;另外,传感器还表现出很好的选择性;(3)在传统管式器件的结构基础上首创出埋藏式器件,通过改变传感器的器件结构,有效地提高了传感器的灵敏度:深层埋藏式传感器(Type C)的灵敏度(-270 mV/decade)要明显大于简易埋藏式(Type B)(-157 mV/decade)和传统结构的传感器(Type A)(-119 mV/decade);(4)混成电位理论可以合理地解释传感器敏感机理。综上所述,本文中所制作的NO2和Cl2传感器具有结构紧凑、工作温度低、灵敏度高和成本低廉等优点,能够满足实时测量大气中的有毒害气体的需要,拥有广阔的应用前景。

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