一種基于NiO敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于NiO敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器及其制備方法，通過采用流延成型技術制備YSZ固體電解質，采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型NiO敏感電極和Pt參考電極，并引出電極引線。用了YSZ固體氧離子導體材料作為HCs傳感器的固體電解質,且采用了花狀納米形貌NiO做敏感電極，無液相成分，安全性高，靈敏度高，選擇性好，安全性好，且傳感器結構簡單、體積小、制備工藝簡單。本發(fā)明HCs傳感器工作時無需外加工作電壓，可檢測HCs濃度范圍為0-500ppm。
【專利說明】—種基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于HCs濃度測量的基于花狀納米形貌敏感電極的YSZ基HCs氣敏傳感器的制備。
[0002]本文中所有涉及的HCs均表示碳氫化合物。
[0003]
【背景技術】
[0004]隨著我國汽車擁有量的急劇增加，我國城區(qū)大氣污染正由煤煙型污染向汽車尾氣型污染發(fā)展；汽車尾氣污染已經(jīng)成為我國空氣污染的第一大污染源，而且，在城市交通越來越擁堵的狀態(tài)下，汽車在怠速狀態(tài)下會產(chǎn)生更多的對人體健康有害的氣體，如CO、NO2, HCs等，這些氣體進入車內也將嚴重影響司乘人員的身體健康。雖然對汽車尾氣的排放有相關環(huán)保法規(guī)和標準的限制，但是，隨著汽車使用時間的延長和裝載量的變化，其排放污染物的量會有所差異，有必要隨時實時跟蹤監(jiān)測。
[0005]有毒有害、易燃易爆等危險氣體的檢測分析方法已經(jīng)有多種成熟的方法，如分光光譜法、紅外吸收光譜法、氣相色譜法、離子遷移譜法、質譜法以及各單項技術的組合方法等；還有多種氣體傳感器，如熱催化、熱導、電化學、固態(tài)電解質、氣敏二極管、氣敏場效應晶體管、半導體聚合物、半導體金屬氧化物等氣體敏感元件可用于檢測各種各樣的被測氣體，其中半導體金屬氧化物氣體傳感器以其靈敏度高、能檢測多種氣體、響應快、體積小、價格低、壽命長等優(yōu)點得到了廣泛地應用。
[0006]但是，由于金屬氧化物氣體傳感器對多種氣體的交叉敏感特性，給汽車尾氣這樣復雜的混合氣體中某一成分的檢測帶來了困難。目前，一般采用多個具有不同敏感特性的金屬氧化物氣體傳感器同時檢測某特定組分的混合氣體，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法進行數(shù)據(jù)處理，以定性或半定量地判斷被測氣體的種類與各組分的濃度。但是，這種方法的可靠性依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡的設計與訓練，而且這種訓練需要標準樣本集，而汽車尾氣中成分有上百種之多，其組分是未知的且千變萬化，進行這樣的訓練是比較困難的，況且金屬氧化物氣體傳感器的特性強烈依賴于環(huán)境溫度、濕度等，使檢測的可靠性差。
[0007]現(xiàn)在，汽車排放的NOx, CO和HCs等污染物嚴重超標，其中產(chǎn)生的HCs是產(chǎn)生光化學煙霧的主要來源。由于基于固態(tài)電解質乾穩(wěn)定氧化錯(Yttria Stabilized Zirconia,簡稱YSZ)的HCs傳感器能完成對汽車尾氣中HCs含量簡便快速的實時監(jiān)測，所以受到了很大的關注。但是，敏感電極的形貌對YSZ基碳氫化合物(HCs)傳感器的響應性能影響較為明顯。
[0008]
【發(fā)明內容】
[0009]為解決上述問題，本發(fā)明公開了基于花狀納米形貌N1敏感電極的YSZ基HCs氣敏傳感器及其制備方法，該傳感器能夠在中高溫環(huán)境中實現(xiàn)對HCs氣體濃度的檢測，且制備工藝簡單可行。
[0010]本發(fā)明公開的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器，包括固體電解質、敏感電極和參考電極，固體電解質兩側分別印制有敏感電極和參考電極，敏感電極為多孔納米電極，參考電極為多孔Pt電極，敏感電極上點涂有Pt漿層，所述的敏感電極和參考電極上均引出電極引線，所述敏感電極厚度為20-30 μ m。優(yōu)選地所述敏感電極厚度為28 μ m，此時，HCs氣體在在敏感電極的活性通道(如圖3)內，逐步被活化成離子游離態(tài)，從而保證檢測HCs成分的充分反應，并且通過反應的優(yōu)選選擇性降低氣體雜質氣體的干擾，從而提高了傳感器的準確性和選擇性。
[0011]作為一種優(yōu)選，所述的固體電解質的厚度為0.5-0.7mm (排除0.6_)。更優(yōu)選地所述的固體電解質的厚度為0.55_，此時，敏感電極通過適當長度使得傳感器工作時具有適當?shù)难蹼x子遷移長度以及敏感電極YSZ材料在的離子空穴濃度可以控制氧離子在單位時間內的通過能力，從而使具有良好的氧離子濃度控制能力，從而保證傳感器對HCs等氣體的電化學反應正常進行，又能夠降低對其他類氣體的活性，提高了傳感器的選擇性。
[0012]作為一種優(yōu)選，所述敏感電極為N1電極漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0013]本發(fā)明公開的一種如權利要求1所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，包括以下步驟:
A采用流延成型技術制成厚度為0.5-0.7 mm (排除0.6mm)的YSZ生瓷片，在空氣中3500C?400°C排膠20個小時后，放入燒結爐中燒結成型；
B采用水熱合成法制取花狀納米形貌的N1敏感電極材料；
C所述的YSZ固體電解質一側設置有多孔納米N1的敏感電極漿料，敏感電極漿料的制備方法為將B制取的N1粉末與松油醇漿料(由70%松油醇+30%乙基纖維素配制)在瑪瑙研缽中混合并研磨均勻，所述敏感電極厚度20-30 μ m ；
D將C所得樣品在干燥箱干燥后，在敏感電極上表面點涂Pt漿層，并引出電極引線； E所述的YSZ固體電解質另一側設置有多孔Pt的參考電極，并引出電極引線；
F將E所得樣品干燥后在燒結爐中在900°C?1000°C保持2?3個小時燒結成型。
[0014]作為一種優(yōu)選，固體電解質(I)是由流延技術制備的YSZ生瓷片經(jīng)350°C ^400°C排膠20個小時后，放入燒結爐中1200°C?1400°C、2 h燒結成型得到。
[0015]作為一種優(yōu)選，步驟C所述的敏感電極是由花狀納米形貌N1電極漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0016]作為一種優(yōu)選，步驟E所述的參考電極是由Pt漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0017]優(yōu)選地，步驟F具體為，將E所得樣品干燥后在燒結爐中在900°C保持2個小時燒結成型，檢驗合格，質地均勻、與固體電解質I表面粘結良好、無裂紋空隙，是為成品，此時敏感電極和參考電極的燒結溫度適當，避免電極應燒結溫度過低而出現(xiàn)活性過低、關聯(lián)能力不強、強度過低而影響傳感器響應時間和檢測質量，同時又避免因為溫度過高出現(xiàn)材料過燒失活的情況。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于采用了一種花狀納米形貌敏感電極材料，使得基于YSZ基的氣敏傳感器在中高溫下對HCs具有很高的響應和靈敏度，對其他氣體抗干擾能力較強，且傳感器結構簡單、體積小、制備工藝簡單。并且本HCs傳感器基于混合電位型，參比電極和敏感電極可同時暴露在待測氣氛中，在0-500 ppm氣體測量范圍下取得了良好的結果。
[0019]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1、是本發(fā)明HCs傳感器敏感電極的花狀納米N1的形貌圖；
圖2、是本發(fā)明HCs傳感器的剖面結構示意圖；
圖3、是本發(fā)明HCs傳感器的工作原理圖；
圖4、是本發(fā)明HCs傳感器的不同溫度下的響應圖；
圖5、是本發(fā)明HCs傳感器的階梯響應曲線示意圖；
圖6、是本發(fā)明HCs傳感器的氣體響應依附圖；
附圖標記列表:
1、固體電解質；2、敏感電極；3、參考電極；
4、Pt漿層；5、電極引線；6、三相界面。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發(fā)明，應理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“內”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
[0023]本發(fā)明公開的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器，包括固體電解質1、敏感電極2和參考電極3，固體電解質I兩側分別印制有敏感電極2和參考電極3，敏感電極2為多孔納米電極，參考電極3為多孔Pt電極，敏感電極2上點涂有Pt漿層4，所述的敏感電極2和參考電極3上均引出電極引線5，所述敏感電極2厚度為20-30 μ m。優(yōu)選地所述敏感電極2厚度為28μπι，此時，HCs氣體在在敏感電極的活性通道(如圖3)內，逐步被活化成離子游離態(tài)，從而保證檢測HCs成分的充分反應，并且通過反應的優(yōu)選選擇性降低氣體雜質氣體的干擾，從而提高了傳感器的準確性和選擇性。
[0024]作為一種優(yōu)選,所述的固體電解質⑴的厚度為0.5-0.7mm (排除0.6mm)。更優(yōu)選地所述的固體電解質I的厚度為0.55_，此時，敏感電極通過適當長度使得傳感器工作時具有適當?shù)难蹼x子遷移長度以及敏感電極YSZ材料在的離子空穴濃度可以控制氧離子在單位時間內的通過能力，從而使具有良好的氧離子濃度控制能力，從而保證傳感器對HCs等氣體的電化學反應正常進行，又能夠降低對其他類氣體的活性，提高了傳感器的選擇性。
[0025]作為一種優(yōu)選，所述敏感電極3為N1電極漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0026]本發(fā)明公開的一種如權利要求1所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，包括以下步驟:
A采用流延成型技術制成厚度為0.5-0.7 mm (排除0.6mm)的YSZ生瓷片，在空氣中350°C~400°C排膠20個小時后，放入燒結爐中燒結成型；
B采用水熱合成法制取花狀納米形貌的N1敏感電極材料；
C所述的YSZ固體電解質一側設置有多孔納米N1的敏感電極漿料，敏感電極漿料的制備方法為將B制取的N1粉末與松油醇漿料(由70%松油醇+30%乙基纖維素配制)在瑪瑙研缽中混合并研磨均勻，所述敏感電極厚度20-30 μ m ；
D將C所得樣品在干燥箱干燥后，在敏感電極上表面點涂Pt漿層，并引出電極引線； E所述的YSZ固體電解質另一側設置有多孔Pt的參考電極，并引出電極引線；
F將E所得樣品干燥后在燒結爐中在900°C~1000°C保持2~3個小時燒結成型；
作為一種優(yōu)選，固體電解質(I)是由流延技術制備的YSZ生瓷片經(jīng)350°C ~400°C排膠20個小時后，放入燒結爐中1200°C~1400°C、2 h燒結成型得到。
[0027]作為一種優(yōu)選，步驟C所述的敏感電極2是由花狀納米形貌N1電極漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0028]作為一種優(yōu)選，步驟E所述的參考電極3是由Pt漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
[0029]優(yōu)選地，步驟F具體為，將E所得樣品干燥后在燒結爐中在900°C保持2個小時燒結成型，檢驗合格，質地均勻、與固體電解質I表面粘結良好、無裂紋空隙，是為成品，此時敏感電極和參考電極的燒結溫度適當，避免電極應燒結溫度過低而出現(xiàn)活性過低、關聯(lián)能力不強、強度過低而影響傳感器響應時間和檢測質量，同時又避免因為溫度過高出現(xiàn)材料過燒失活的情況。
[0030]表1:實施例1-6的參數(shù)設置表
【權利要求】
1.一種基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器，包括固體電解質(I)、敏感電極(2)和參考電極(3)，其特征在于:所述固體電解質(I)兩側分別印制有敏感電極(2)和參考電極(3)，所述敏感電極(2)為多孔納米電極，所述參考電極(3)為多孔Pt電極，所述的敏感電極⑵上點涂有Pt漿層(4)，所述的敏感電極⑵和參考電極(3)上均引出電極引線(5)，所述敏感電極(2)厚度為20-30 μ m。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器，其特征在于:所述的固體電解質(I)的厚度為0.5-0.7mm (排除0.6mm)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器，其特征在于:所述敏感電極(2)為N1漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
4.一種如權利要求1所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: A采用流延成型技術制成厚度為0.5-0.7 mm (排除0.6mm)的YSZ生瓷片，在空氣中3500C?400°C排膠20個小時后，放入燒結爐中燒結成型； B采用水熱合成法制取花狀納米形貌的N1敏感電極材料； C所述的YSZ固體電解質一側設置有多孔納米N1的敏感電極漿料，敏感電極漿料的制備方法為將B制取的N1粉末與松油醇漿料(由70%松油醇+30%乙基纖維素配制)在瑪瑙研缽中混合并研磨均勻，所述敏感電極厚度20-30 μ m ； D將C所得樣品在干燥箱干燥后，在敏感電極上表面點涂Pt漿層，并引出電極引線； E所述的YSZ固體電解質另一側設置有多孔Pt的參考電極，并引出電極引線； F將E所得樣品干燥后在燒結爐中在900°C?1000°C保持2?3個小時燒結成型。
5.根據(jù)權利要求4所述的所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，所述的固體電解質(I)是由流延技術制備的YSZ生瓷片經(jīng)350°cl0(rc排膠20個小時后，放入燒結爐中1200°C?1400°C、2 h燒結成型得到。
6.根據(jù)權利要求4所述的所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，步驟C所述的敏感電極(2)是由花狀納米形貌N1電極材料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
7.根據(jù)權利要求4所述的所述的基于N1敏感電極YSZ基HCs氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，步驟E所述的參考電極(3)是由Pt漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術印制成型。
【文檔編號】G01N27/26GK104198547SQ201410385716
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權日:2014年8月7日
【發(fā)明者】孫壽通, 王林滬, 錢和偉, 錢小偉 申請人:寧波市鄞州永林電子電器有限公司