氧化鋯氧傳感器電極性能研究.pdf

1、氧化鋯固體電解質(zhì)氧傳感器可以監(jiān)測(cè)和控制各種燃燒氣氛以及冶金反應(yīng)，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)保、材料、化工、冶金、能源、宇航等領(lǐng)域。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于氧化鋯氧傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了氧化鋯氧傳感器電極制備和測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)。 制備出了貴金屬電極漿料和Pt/YSZ金屬陶瓷復(fù)合電極漿料，并由電極漿料涂覆、燒結(jié)后得到三種電極體系。用掃描電鏡（SEM）詳細(xì)地研究了這些電極體系的表面和界面微觀形貌及其影響因素，結(jié)果表明燒結(jié)

2、溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)電極微觀形貌影響顯著。用電極三相界面（TPB）長(zhǎng)度解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并優(yōu)化了合適的電極制備工藝參數(shù)。界面微觀分析表明多孔貴金屬電極的反應(yīng)活性中心即三相界面只存在于貴金屬與電解質(zhì)接觸的界面上；而Pt/YSZ金屬陶瓷復(fù)合電極將催化電化學(xué)反應(yīng)的活性反應(yīng)區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)電極的三維區(qū)域，同時(shí)也改進(jìn)了電極與電解質(zhì)的結(jié)合狀態(tài)，并且YSZ顆粒能夠有效地防止貴金屬電極活性顆粒的長(zhǎng)大。對(duì)于制備的Pt/YSZ金屬陶瓷復(fù)合電極，研究了燒結(jié)溫度和兩相體

3、積比（VPt/VYSZ）同復(fù)合電極微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得到了具有良好微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極所需的燒結(jié)溫度范圍和金屬相與陶瓷相的體積配比。在此條件下，復(fù)合電極具有三種相互交叉和相互連接的金屬相網(wǎng)絡(luò)、電解質(zhì)相網(wǎng)絡(luò)和氣相微孔網(wǎng)絡(luò)，才能夠形成足夠長(zhǎng)的連續(xù)三相界面，從而有利于電極反應(yīng)中的氧離子電流和電子電流的流通和相互轉(zhuǎn)換，因而才具有最佳的電催化性能。 對(duì)氧化鋯氧傳感器各種電極體系進(jìn)行了比較系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜（EIS）研究，在此基礎(chǔ)上探討了不同材

4、料和參數(shù)對(duì)電極電化學(xué)性能的影響。通過(guò)在不同溫度下測(cè)量電化學(xué)阻抗譜，分析得到電解質(zhì)電阻Rs的表觀活化能和電極極化過(guò)程的表觀活化能。同時(shí)電極過(guò)程的弛豫頻率隨溫度升高而快速增加，表明電極反應(yīng)隨溫度增加而加快。通過(guò)不同電極的交流阻抗譜對(duì)比得到：在同樣測(cè)量條件下，測(cè)試溫度為500℃時(shí)，AgPd電極比Pt電極具有較低的電極極化電阻因而具有較高的催化活性；而測(cè)試溫度為700℃時(shí)，Pt/YSZ復(fù)合電極比Pt電極具有較低的電極極化電阻因而具有較高的催化活

5、性。對(duì)比了不同等效電路的擬合效果，用等效電路Rs(Rp(QW))能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地?cái)M合電極系統(tǒng)的EIS數(shù)據(jù)，并且等效電路元件與電極的物理化學(xué)過(guò)程相對(duì)應(yīng)，從而解釋了電極電化學(xué)阻抗行為。 基于整個(gè)電極反應(yīng)的七個(gè)步驟，并建立了復(fù)合電極的連續(xù)相微觀模型，在此模型基礎(chǔ)上得到了其微結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)等效電路。提出了金屬陶瓷復(fù)合電極的穩(wěn)態(tài)極化模型，根據(jù)模型預(yù)測(cè)了金屬陶瓷復(fù)合電極的最佳厚度范圍（3L*＜x＜4.5L*），并將復(fù)合電極的極化曲線與貴金屬電極的極

6、化曲線相對(duì)比，討論了復(fù)合電極在整個(gè)極化范圍內(nèi)的極化行為。 設(shè)計(jì)并研制出套管式氧化鋯氧傳感器及其性能測(cè)試裝置系統(tǒng)，對(duì)氧化鋯氧傳感器的各種性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果表明氧化鋯氧傳感器具有輸出信號(hào)準(zhǔn)確和響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)良特性。在不同溫度和不同氧分壓下對(duì)氧傳感器進(jìn)行了輸出電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確性測(cè)試，在溫度高于850K時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)與由Nernst方程計(jì)算得到的理論電動(dòng)勢(shì)之間相差一個(gè)較低而穩(wěn)定的零電位。在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中得到套管式氧傳感器的電動(dòng)勢(shì)輸出

7、曲線和氧傳感器的基本工作性能：在尾氣溫度高于350℃時(shí)，升溫激活時(shí)間≤32s，響應(yīng)時(shí)間≤600ms，濃燃燒狀態(tài)輸出電勢(shì)≥850mV，稀薄燃燒狀態(tài)輸出電勢(shì)≤150mV，可控制濃稀波動(dòng)周期≥1s，這些性能參數(shù)能夠滿足汽車排放控制實(shí)際應(yīng)用的要求?；谌紵龤怏w化學(xué)平衡理論得到了氧傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)U和λ的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之非常一致。同時(shí)用熱力學(xué)理論推導(dǎo)了濃燃燒狀態(tài)下的輸出電動(dòng)勢(shì)以及溫度對(duì)輸出電動(dòng)勢(shì)的影響。這些實(shí)驗(yàn)和分析對(duì)于汽車用氧傳感器的研制和實(shí)