專利名稱：一種雙固體電解質(zhì)co的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化學氣體傳感器技術領域，提供了一種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器，可以感知氣相中CO2濃度，用于對氣相環(huán)境中的CO2濃度進行檢測和控制。
背景技術：
隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、和交通運輸業(yè)的迅速發(fā)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(diào)、生物、醫(yī)療以及其它許多場合中都迫切要求對CO2濃度進行監(jiān)測控制，CO2傳感器也就成為國內(nèi)外急需開發(fā)的產(chǎn)品。雙固體電解質(zhì)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。盡管已有很多關于雙固體電解質(zhì)傳感器的報道，但是，在雙固體電解質(zhì)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(zhì)的接界電位等?？梢哉f這些問題在所有的雙固體電解質(zhì)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，那么雙固體電解質(zhì)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(zhì)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(fā)表的文章和專利中，尚未見到與本發(fā)明相同的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器，并解決電池電動勢(EMF)表達式中未包含兩種電解質(zhì)的接界電位等問題，對該類型雙固體電解質(zhì)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，從而降低傳感器的制作的難度，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(fā)明的傳感器由兩種固體電解質(zhì)材料復合組成，其中一種是氧離子傳導的固體電解質(zhì)，如摻雜氧化鋯，另一種為陽離子傳導的固體電解質(zhì)，如Na+離子傳導的Naβ-Al2O3，制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(zhì)CO2傳感器；在兩種固體電解質(zhì)都具有離子傳導能力的溫度下，傳感器產(chǎn)生的電動勢與被測氣相中的CO2濃度存在單值函數(shù)關系，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(fā)明所述的兩種固體電解質(zhì)通過燒結或粘結進行復合，碳酸鹽通過溶液蒸發(fā)干燥的方法涂覆在連接陽離子固體電解質(zhì)的電極周圍。電極可以通過一多孔貴金屬層與固體電解質(zhì)相連。為降低Naβ-Al2O3的燒結溫度，并增大其中Na2O的活度，可在Naβ-Al2O3電解質(zhì)中摻入鈉玻璃。摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質(zhì)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(zhì)粉體。
傳感器的工作原理本發(fā)明之雙固體電解質(zhì)CO2傳感器可看作如下的雙電解質(zhì)電池CO2，O2，Pt|Na2CO3|Naβ″-Al2O3|MSZ|Pt，CO2，O2因為兩個電極處于相同的氣氛中，O2的分壓相同，因此總的反應方程式可表示為
根據(jù)經(jīng)典熱力學得到上述電池的電動勢表達式為E=-ΔG02F-RT2FlnaNa2OPCO2p0---(1)]]>經(jīng)不可逆熱力學修正后，電池電動勢表達式為E=-ΔG02F-RT2FlnaNa2OPCO2P0+(1-tNa+)RT2FlnaNa2O+(tO2--tNa+)RT4FlnPO2′′PO2′(M)---(2)]]>這里，tNa+是Naβ″-Al2O3固體電解質(zhì)中的電子和鈉離子遷移數(shù)，tO2-是MSZ中氧離子遷移數(shù)，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(shù)據(jù)計算得知。
本發(fā)明的優(yōu)點在于傳感器兩極處于相同的氣氛中，無需參比電極，因而可以制成片式或其它形狀；傳感器對CO2的敏感性優(yōu)良；采用經(jīng)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。制備簡單、工作可靠、使用方便。


圖1為本發(fā)明CO2傳感器的示意圖。
圖2為本發(fā)明500℃時傳感器電動勢與二氧化碳分壓的關系圖，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(huán)境中CO2分壓的對數(shù)。
圖3為本發(fā)明傳感器電動勢與溫度的關系圖。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(fā)明的一種具體實施方式
。
實施結果圖1為本發(fā)明CO2傳感器的示意圖。
在300～900℃溫度范圍，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(huán)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(shù)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，誤差小于3mV；而與未經(jīng)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后的電動勢計算值符合得很好，而與未經(jīng)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(zhì)CO2傳感器，其特征在于傳感器由兩種固體電解質(zhì)材料復合組成，其中一種是氧離子傳導的固體電解質(zhì)，另一種為陽離子傳導的固體電解質(zhì)；所述的氧離子傳導的固體電解質(zhì)為摻雜氧化鋯，所述的陽離子傳導的固體電解質(zhì)為Na+離子傳導的Naβ-Al2O3；制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(zhì)CO2傳感器；在兩種固體電解質(zhì)都具有離子傳導能力的溫度下，傳感器產(chǎn)生的電動勢與被測氣相中的CO2濃度存在單值函數(shù)關系，因而通過測定傳感器的電動勢即可得知氣相中的CO2濃度。
2.一種制備權利要求1所述的CO2傳感器的方法，其特征在于兩種固體電解質(zhì)通過燒結或粘結進行復合，碳酸鹽通過飽和溶液蒸發(fā)干燥的方法涂覆在連接陽離子固體電解質(zhì)的電極周圍；電極通過一多孔貴金屬層與固體電解質(zhì)相連。
3.按照權利要求2所述的的方法，其特征在于為降低Naβ-Al2O3的燒結溫度，并增大其中Na2O的活度，在Naβ-Al2O3電解質(zhì)中摻入鈉玻璃，摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質(zhì)量比1∶1進行稱量，混勻，便得所需的Naβ-Al2O3固體電解質(zhì)粉體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新的雙固體電解質(zhì)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(yōu)先權日2005年9月14日
發(fā)明者李福燊, 張艷紅, 王嶺, 李麗芬 申請人:北京科技大學