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基于NASICON和金属氧化物电极的有毒有害气体传感器的研究

基于NASICON和金属氧化物电极的有毒有害气体传感器的研究,对于有毒有害气体的快速实时检测,可以有效感知有毒有害气体的泄漏,也可以对环境灾害进行预测,因此,发展面向有毒有害气体检测的全固态气体传感器至关重要。本论文面向有毒有害气体的检测,构建基于固体电解质NASICON和氧化物电极的高性能气体传感器,从探索高性能敏感电极材料和改进传感器结构两方面入手开展工作,一方面,制备了多种尖晶石结构的复合金属氧化物敏感材料,研究了烧结条件和老化工艺对电极材料性能的影响,优化了电极材料制备条件;另一方面设计和实现了新型器件结构,并构筑了高性能三相界面,显著提高了传感器的性能。 具体的研究内容包括: (I)利用柠檬酸络合法制备了三种Cr基尖晶石型复合金属氧化物,并以其为敏感电极制作了混成电位型氯气传感器,其中CoCr2O4显示了最高灵敏度。研究了不同烧结条件对CoCr2O4传感特性的影响,也探索老化工艺与传感特性之间的关联规律,发现传感器经过老化处理60天后对低浓度的Cl2的响应值显著提高。通过对敏感电极材料进行XPS、BET和XRD表征分析,发现老化处理能够改变电极材料的微结构,进而提升了对低浓度氯气的的灵敏度。 (II)研究了基于Cr基尖晶石型氧化物电极的丙酮传感器。结果表明,以NiCr2O4为敏感电极的传感器对丙酮蒸汽的响应最高。通过循环伏安曲线测量,证明了NiCr2O4对有丙酮参与的电化学反应催化活性最高。同时为了构筑高性能三相反应界面,向电极材料中混合NASICON粉体,通过阻抗谱研究敏感电极的界面电阻值与NASICON加入量的关系,发现其规律与五种器件的响应值变化规律相同,证明了此种方法能够有效地提高敏感电极的三相界面长度。 (III)以乙二醇作为阳离子络合剂,制备了尖晶石型CoCr2-xMnxO4复合金属氧化物,并以此为敏感电极制作了混成电位型H2S传感器。和另外四种材料相比CoCr1.2Mn0.8O4对H2S显示了最高的灵敏度。经过测量并比较五种传感器的极化曲线,发现CoCr1.2Mn0.8O4作为敏感材料能够有效地促进阳极反应并抑制阴极反应。通过比较不同烧结温度下制作的传感器的阻抗谱,发现烧结温度为800℃时,敏感材料的催化活性和三相界面面积能够达到最佳的平衡,因而获得最高的灵敏度。 (IV)以CoCrMnO4作为参考电极钝化材料,设计并制作了具有埋藏式敏感电极的NASICON基H2传感器,测试结果显示埋藏式敏感电极结构通过抑制电极上氧的反应,能够有效地提高传感器对氢气的响应,同时也可以有效提高传感器的选择性。

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