锂离子导体固体电解质型低温传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种锂离子导体固体电解质型低温传感器及其制备方法与应用，涉及气体传感器技术领域。本发明专利技术使用低温锂离子导体为固体电解质，为开发高性能低温气体传感器提供了一类有效的低温固体电解质材料；本发明专利技术使用的具有混合导电能力的多孔固体电解质层和敏感电极对NH3具有较高的灵敏度，响应/恢复时间短，且具有较好的选择性；本发明专利技术制作的锂离子导体电解质型NH3气体传感器制作工艺简单，制备方法步骤简便，成本低廉，便于集成。便于集成。便于集成。

【技术实现步骤摘要】
锂离子导体固体电解质型低温传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，尤其涉及一种锂离子导体固体电解质型低温传感器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着社会和工业的发展，工业废气中的污染物严重破坏了空气质量，其中NO
x
(NO或NO2)是最有害的气体之一。采用NH3选择性催化还原(NH3‑
SCR)技术去除废气中的NO
x
是降低NO
x
排放的有效途径，已被冶金、电力及汽车等行业广泛应用。在SCR过程中，将NH3或尿素(热分解为NH3)注入废气中，将NO
x
还原为N2和H2O。同时注入NH3或尿素的用量必须控制，用量不足会导致NO
x
残留，用量过大会导致NH3泄露。为了防止NH3泄露二次污染，需要对共存气体的高灵敏度NH3传感器来监测SCR过程。同时，在NH3的生产、储存、运输和使用过程中，也需要对NH3的泄漏进行监测。
[0003]在众多类型的传感器中，固体电解质基气体传感器是目前最具有发展前景的传感器之一。与半导体气体传感器相比，固体电解质NH3传感器具有高灵敏度、良好选择性、较高的精度、良好稳定性和苛刻环境下的可靠性等优点。
[0004]随着科技的发展，低功耗、便携式、微型化气体传感器成为趋势，髙的工作温度会带来能量的消耗增加、器件的构造复杂程度增加。因此，NH3浓度的低温检测是NH3传感器领域最为关注的问题之一，开发低功耗、高灵敏度和选择性的低温NH3传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种锂离子导体固体电解质型低温传感器及其制备方法与应用，以锂离子导体为固体电解质，以R
‑
P型敏感材料为敏感电极的低温NH3传感器，为开发高性能低温气体传感器提供了一类有效的低温固体电解质材料。
[0006]为实现此技术目的，本专利技术采用如下方案：锂离子导体固体电解质型低温传感器，包括锂离子导体为电解质的致密层、具有混合导电能力的多孔层和具有混合导电能力R
‑
P型敏感材料，其中，锂离子导体为电解质的致密层与具有混合导电能力的多孔层紧密结合，具有混合导电能力的多孔层内修饰有具有混合导电能力R
‑
P型敏感材料。
[0007]进一步的，锂离子导体的电导率（温度＜300℃）达10
‑
3 S
·
cm
‑1以上，锂离子导体为电解质的致密层的厚度为1.5~2.5mm，具有混合导电能力的多孔层的厚度为10~20μm。
[0008]进一步的，锂离子导体为LISICON型导体、石榴石型导体（Li5La3M2O
12
，M=Ta或Zr）、钙钛矿型导体（化学式通式为 Li
3δ
La
2/3
–
δ
TiO3(LLTO, 0.04 <δ< 0.16)）中的任意一种。
[0009]进一步的，敏感材料为具有氧离子
‑
电子混合导电能力的R
‑
P型敏感电极材料，通式为A2BO4，如La2NiO4、Pr2NiO4、Nd2NiO4、LaSrCoO4，A位或B位元素掺杂得到所需的金属氧化物敏感电极材料。
[0010]锂离子导体固体电解质型低温传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、致密层的制备：按锂离子导体的化学组成配料，湿法球磨混合均匀后焙烧；焙烧后的粉体中加入聚乙烯醇缩丁醛粘结剂，再次进行湿法球磨，混合均匀后晾干；压制呈片状；最后进行致密化烧结，得到锂离子导体为固体电解质的致密层；S2、具有混合导电能力的多孔层的制备：将锂离子导体、氧离子导体、电子导体按比例混合进行湿法球磨，磨后自然晾干得到混合导体粉体；称取混合导体粉体并加入造孔剂石墨粉再次湿法球磨，混匀后自然晾干；将混匀后的粉末与有机载体混合均匀，采用丝网印刷技术将其涂覆在得到锂离子导体为固体电解质的致密层一侧，煅烧，得到锂离子导体为固体电解质的致密层上形成具有混合导电能力的多孔层；S3、混合导体的R
‑
P型敏感电极材料原位合成在固体电解质的多孔层内，制得敏感电极；S4、制备得到混合电位型传感器或阻抗性传感器。
[0011]进一步的，S3的步骤为：将R
‑
P型敏感材料的原材料按照化学计量比溶解在去离子水中，向溶液中加入柠檬酸作为络合剂，配置成0.05 mol/L的浸渍液；然后将浸渍液滴加到多孔层中，待浸渍液自动渗入多孔层中后，重复浸渍过程至装载量；最后煅烧制得敏感电极。
[0012]进一步的，S3的步骤为：将R
‑
P型敏感材料的原材料按照化学计量比准确称量后溶解在去离子水中；将柠檬酸作为螯合剂加入到上述溶液中；将混合溶液在磁力搅拌器上持续搅拌后，水浴加热至80℃，溶液蒸干后形成粘性凝胶；将前躯体粘性凝胶煅烧，得到敏感材料粉末；最后将敏感材料粉末与有机载体混合均匀，采用丝网印刷技术将其涂覆在多孔层上，煅烧制得敏感电极。
[0013]进一步的，S3敏感材料粉末与有机载体混合并涂覆完成后的煅烧温度为800℃~1000℃。
[0014]进一步的，有机载体由94%wt松油醇和6%wt乙基纤维素组成，混匀后的粉末与有机载体的质量比为3:7。
[0015]上述的锂离子导体固体电解质型低温NH3传感器应用在氨气检测中。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1) 本专利技术使用锂离子导体为固体电解质，为开发高性能低温气体传感器提供了一类有效的固体电解质材料；(2) 本专利技术使用的具有混合导电能力的多孔固体电解质层和敏感电极对NH3具有较高的灵敏度，响应/恢复时间短，且具有较好的选择性；(3) 本专利技术制作的锂离子导体电解质型NH3气体传感器制作工艺简单，制备方法步骤简便，成本低廉，便于集成。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例提供的锂离子导体固体电解质型低温传感器的结构示意图；图2为本专利技术实施例1提供的敏感电极材料LaSrFeO4的XRD图；
图3为本专利技术实施例1提供的传感器在200
‑
300℃的响应恢复曲线；图4为本专利技术实施例1提供的传感器响应值与NH3浓度之间的关系；图中标记：1、致密层；2、多孔层；3、敏感材料；4、Pt参比电极；5、Pt丝。
具体实施方式
[0018]为充分了解本专利技术之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本专利技术做详细说明，但本专利技术并不仅仅限于此。
[0019]如图1所示，本专利技术提供的一种锂离子导体固体电解质型低温传感器，包括锂离子导体为电解质的致密层1、具有锂离子/氧离子/电子混合导电能力的多孔层2、具有氧离子/电子混合导电能力的R
‑
P型敏感材料3和Pt参比电极4，其中，锂离子导体为电解质的致密层1与具有混合导电能力的多孔层2紧密结合，具有混合导电能力的多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子导体固体电解质型低温传感器，其特征在于，包括锂离子导体为固体电解质的致密层、具有混合导电能力的多孔层和敏感材料，其中，锂离子导体为固体电解质的致密层与具有混合导电能力的多孔层紧密结合，具有混合导电能力的多孔层内修饰有敏感材料。2. 根据权利要求1所述的锂离子导体固体电解质型低温传感器，其特征在于，锂离子导体的电导率在温度＜300℃时达到10
‑
3 S
·
cm
‑1以上，锂离子导体为固体电解质的致密层的厚度为1.5~2.5mm，具有混合导电能力的多孔层的厚度为10~20μm。3.根据权利要求1所述的锂离子导体固体电解质型低温传感器，其特征在于，锂离子导体为LISICON型导体、石榴石型导体、钙钛矿型导体中的任意一种。4.根据权利要求1所述的锂离子导体固体电解质型低温传感器，其特征在于，敏感材料为具有氧离子
‑
电子混合导电能力的R
‑
P型敏感电极材料，通式为A2BO4，A位或B位元素掺杂得到所需的金属氧化物敏感电极材料。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的锂离子导体固体电解质型低温传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、致密层的制备：按锂离子导体的化学组成配料，湿法球磨混合均匀后焙烧；焙烧后的粉体中加入聚乙烯醇缩丁醛粘结剂，再次进行湿法球磨，混合均匀后晾干；压制呈片状；最后进行致密化烧结，得到锂离子导体为固体电解质的致密层；S2、具有混合导电能力的多孔层的制备：将锂离子导体、氧离子导体、电子导体按比例混合进行湿法球磨，磨后自然晾干得到混合导体粉体；称取混合导体粉体并加入造孔剂石墨粉再次湿法球磨，混匀后自然晾干；将混匀后的粉末与有机载体混合均匀，采用丝网...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴磊，许晓迪，孟维薇，王岭，刘洪浩，
申请(专利权)人：华北理工大学，
类型：发明
国别省市：