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固体电解质气体传感器是怎样工作的?原理是什么?

固体电解质气体传感器

固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质,当用作气体传感器时,它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中,可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用,其重要性仅次子金属—氧化物一半导体气体传感器。

 

固体电解质氧气传感器原理

同体电解质在高温下才会有明显的导电性。氧化锆(ZrO2)是典型的气体传感器的材料。纯正的氧化锆在常温下是单斜晶结构,当温度升到1000左右时就会发生同质异晶转变,由单斜晶结构变为多晶结构,并伴随体积收缩和吸热反应,因此是不稳定结构。在ZrO2中掺入稳定剂如:碱土氧化钙CaO或稀土氧化钇Y2O3,使其成为稳定的荧石立方晶体,稳定程度与稳定剂的浓度有关。ZrO2加入稳定剂后在l800气氛下烧结,其中一部分锆离子就会被钙离子替代,生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是正二价离子,Zr4+是正四价离子,为继续保持电中性,会在晶体内产生氧离子O2-空穴,这是(ZrO·CaO)在高温下传递氧离子的原因,结果是(ZrO·CaO)在300~800成为氧离子的导体。但要真正能够传递氧离子还必须在固体电解质两边有不同的氧分压(氧位差),形成所渭的浓差电池。其结构原理如图所示,两边是多孔的贵金属电极,与中间致密的ZrO·CaO材料制成夹层结构。

设电极两边的氧分压分别为PO2(1)、PO2(2),在两电极发生如下反应:

(+)极:PO2(2),2O2-→O2+4e

(-)极:PO1(1),O2+4e→2O2-

可见,在一定温度下,固定PO2(1),有上式可求出传感器(+)极待测氧气的浓度。

固定PO2(1)实际上是(-)极形成一个电位固定的电极,即参比电极,有气体参比电极和共存相参比电极两种。气体参比电极可以是空气或其他混合气体,如:H2一H2O,CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相参比电极是指金属-金属氧化物、低价金属氧化物-高价金属氧化物的混合粉末(固相),这些混合物与氧气(气相)混合发生氧化反应能形成同定的氧压,因此也能作为参比电极。

除了测氧外,应用β一Al2O3、碳酸盐、NASICON等固体电解质传感器,还可用来测CO、SO2、NH4等气体。近年来还出现了锑酸、La3F等可在低温下使用的气体传感器,并可用于检测正离子。