以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器及制备方法技术

一种以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器及制备方法，属于气体传感器技术领域，其主要用于汽车尾气后处理系统中NH3的检测。传感器依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、参考电极和敏感电极组成。参考电极为条状Pt，敏感电极为条状Cd2V2O7，两电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两侧，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板粘结在一起。本发明专利技术以YSZ作为离子导电层，使用具有高电化学催化活性的Cd2V2O7为敏感电极，通过研究传感器对不同种类测试气体的响应值对比以及在不同湿度和持续高温测试30天的响应值变化，考察传感器的选择性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器及制备方法
本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种以Cd2V2O7为敏感电极的高选择和高稳定YSZ基混成电位型NH3传感器及制备方法，其主要用于汽车尾气后处理系统中NH3的检测。
技术介绍
随着工业化和城市化进程的加快，大气污染问题日益突出。在各种空气污染物中，汽车在稀薄燃烧工况条件下所产生的氮氧化物NOx(NO2或NO)是最主要和最有害的空气污染气体。因为氮氧化物与大气中的VOC等有害气体进行二次反应，不仅直接造成臭氧层空洞、损害人体的健康，也会产生酸雨、光化学烟雾、温室效应等环境灾难。为了减少NOx排放，在发动机的尾气后处理系统中，使用尿素作为选择催化还原剂(SCR)被认为是最有前途的技术。在这个系统中，尿素溶液被注入到排气管线与燃烧废气中的NOx进行反应，生成无害的N2和H2O(反应过程如(1-3)所示)。为了精确的控制尿素的注入量，避免氨气泄露引起更严重的空气污染问题，使用氨气传感器作为在线监测反馈控制系统是非常必要的。此外，由于汽车发动机尾气排放处于典型的长期高温、高湿和多种气体共存环境，传感器需要在上述苛刻条件下工作，不仅要求NH3传感器要有良好的敏感特性(灵敏度、选择性和响应/恢复特性)，还要求在使用环境下具有良好的稳定性。基于固体电解质(稳定氧化锆(YSZ))和氧化物敏感电极的混成电位型传感器除具有灵敏度高、响应恢复快、选择性好和可靠性高等优点外，还具有良好的热稳定性和化学稳定性，因此由二者构成的NH3传感器在汽车尾气排放监控领域具有重要的潜在应用价值。NH2CONH2+H2O(stream)→2NH3+CO2+H2O(1)4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O(2)4NH3+2NO+O2→4N2+6H2O(3)稳定氧化锆基混成电位型NH3传感器的敏感机理是：气氛中NH3通过敏感电极层向三相反应界面扩散，在扩散过程中由于发生反应(4)，NH3的浓度会逐渐降低，氧化物敏感电极的多孔性和膜厚度决定NH3浓度的降低程度。在气体/敏感电极/YSZ导电层的三相界面处，同时发生氧的电化学还原反应和NH3的电化学氧化反应，反应(5)和(6)构成一个局部电池，当两者反应速率相等时，反应达到平衡，在敏感电极上形成混成电位，它与参考电极的电位差作为传感器的检测信号。检测信号大小由电化学反应(5)和(6)的速率来决定，而反应速率取决于敏感电极材料的电化学和化学催化活性、电极材料微观结构(比如材料的多孔性、粒度、形貌等)。反应式如下：4NH3+3O2→2N2+6H2O(4)1/2O2+2e-→O2-(5)2/3NH3+O2-→1/3N2+H2O+2e-(6)目前，为了提高此类传感器的敏感特性，国内外对传感器敏感电极材料进行了很多的研究。例如，申请人制作的以Ni3V2O8为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器对100ppmNH3的响应值为-67mV(FangmengLiu,RuizeSun,YehuiGuan,XiaoyangCheng,HanZhang,YingzhouGuan,XishuangLiang,PengSun,GeyuLu,Mixed-potentialtypeNH3sensorbasedonstabilizedzirconiaandNi3V2O8sensingelectrode,SensorsandActuatorsB:Chemical,2015,210,795-802.)，该传感器虽然对NH3表现出了较好的灵敏度，但缺点在于稳定性和选择性不够优秀。因此，需要开发具有高电化学催化活性和多孔性的新型敏感电极材料，提高气体通过敏感电极向三相界面扩散的速率，加快三相界面处的电化学反应，明显改善传感器的选择性和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种以Cd2V2O7为敏感电极的高选择和高稳定YSZ基混成电位型NH3传感器及制备方法，促进这种传感器在汽车尾气后处理系统中对NH3的快速、实时监测。本专利技术所得到的传感器除了具有高灵敏度外，还具有很好的选择性、耐湿性和稳定性。本专利技术所涉及的NH3传感器是基于固体电解质YSZ和高电化学催化活性Cd2V2O7复合氧化物为敏感电极所构筑的新型检测原理的NH3传感器，YSZ(ZrO2(质量分数8％Y2O3))作为离子导电层。本专利技术所述的一种以Cd2V2O7为敏感电极的高选择和高稳定YSZ基混成电位型NH3传感器，如图1所示，依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、参考电极和敏感电极组成；敏感电极为条状Cd2V2O7，参考电极为条状Pt，两电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两侧，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板粘结在一起。本专利技术以YSZ作为离子导电层，使用具有高电化学催化活性的Cd2V2O7为敏感电极，通过研究传感器对不同种类测试气体的响应值对比以及在不同湿度和持续高温测试30天的响应值变化，考察传感器的选择性和稳定性。本专利技术所述的一种以Cd2V2O7为敏感电极的高选择和高稳定YSZ基混成电位型NH3传感器的制备方法，其步骤如下：(1)敏感电极材料的制备：共沉淀法：分别称取摩尔比为1：1的Cd(NO3)2·4H2O和NH4VO3，溶于去离子水中，在70～90℃的水浴锅中持续搅拌1.5～3.0h；在持续搅拌条件下，将质量浓度25～28％的氨水逐滴滴加到以上溶液中，直至溶液的pH值为7～9，得到沉淀产物；将沉淀产物用去离子水和乙醇进行离心、洗涤处理后，在70～90℃的条件下烘干10～12小时；最后在700～900℃的马弗炉中烧结1～3小时，得到具有多孔性的Cd2V2O7复合氧化物敏感电极材料；(2)传感器的制作：(1)制作Pt参考电极：在YSZ基板上表面的一端使用Pt浆制作15～20μm厚的Pt参考电极，同时将一根Pt丝对折后粘在参考电极中间位置上作为电极引线，然后将YSZ基板在90～120℃条件下烘烤1～2小时，再将YSZ基板在1000～1200℃下烧结1～2小时，从而排除铂浆中的松油醇，最后降至室温；(2)制作Cd2V2O7敏感电极：将步骤(1)得到的Cd2V2O7敏感电极材料用去离子水调成浆料，质量浓度为2～20％；用Cd2V2O7浆料在与参考电极对称的YSZ基板上表面的另一端制备20～30μm厚的敏感电极，同样将一根铂丝对折后粘在敏感电极上作为电极引线；(3)将上述制备有参考电极和敏感电极的YSZ基板在800～1000℃下烧结1～3小时；优选的高温烧结时的升温速率为1～2℃/min；(4)制备无机粘合剂：量取水玻璃(Na2SiO3·9H2O)2～4mL，并称取Al2O3粉体0.7～1.0g，将水玻璃与Al2O3粉体混合并搅拌均匀，制得所需无机粘合剂；(5)使用无机粘合剂将YSZ基板下表面和带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板(2×2mm)粘结在一起。其中，带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板是在Al2O3陶瓷板上通过丝网印刷Pt得到，在Pt加热电极的两端分别引出两根Pt线作为加热器的连接线。(6)将粘合好的器件进行焊接、封装，从而制作得到本专利技术所述的以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器。本专利技术的优点：(1)传感器利用典型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器，依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、参考电极和敏感电极组成；敏感电极为条状结构，参考电极为条状Pt，两电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两侧，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板粘结在一起；其特征在于：敏感电极的材料为Cd2V2O7，且其由如下方法制备得到，分别称取摩尔比为1：1的Cd(NO3)2·4H2O和NH4VO3，溶于去离子水中，在70～90℃的水浴锅中持续搅拌1.5～3.0h；在持续搅拌条件下，将质量浓度25～28％的氨水逐滴滴加到以上溶液中，直至溶液的pH值为7～9，得到沉淀产物；将沉淀产物用去离子水和乙醇进行离心、洗涤处理后，在70～90℃的条件下烘干10～12小时；最后在700～900℃的马弗炉中烧结1～3小时，得到具有多孔性的Cd2V2O7复合氧化物敏感电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器，依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、参考电极和敏感电极组成；敏感电极为条状结构，参考电极为条状Pt，两电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两侧，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板粘结在一起；其特征在于：敏感电极的材料为Cd2V2O7，且其由如下方法制备得到，分别称取摩尔比为1：1的Cd(NO3)2·4H2O和NH4VO3，溶于去离子水中，在70～90℃的水浴锅中持续搅拌1.5～3.0h；在持续搅拌条件下，将质量浓度25～28％的氨水逐滴滴加到以上溶液中，直至溶液的pH值为7～9，得到沉淀产物；将沉淀产物用去离子水和乙醇进行离心、洗涤处理后，在70～90℃的条件下烘干10～12小时；最后在700～900℃的马弗炉中烧结1～3小时，得到具有多孔性的Cd2V2O7复合氧化物敏感电极材料。2.权利要求1所述的一种以Cd2V2O7为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3传感器的制备方法，其步骤如下：(1)制作Pt参考电极：在YSZ基板上表面的一端使用Pt浆制作15～20μm厚的Pt参考电极，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘方猛，卢革宇，王静，孙鹏，闫旭，高原，马健，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22