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氧化锆氧传感器电极性能研究

罗志安  
【摘要】: 氧化锆固体电解质氧传感器可以监测和控制各种燃烧气氛以及冶金反应,因此已经广泛应用于环保、材料、化工、冶金、能源、宇航等领域。本文在对国内外关于氧化锆氧传感器研究现状及发展进行综述的基础上,系统地研究了氧化锆氧传感器电极制备和测试等关键技术。 制备出了贵金属电极浆料和Pt/YSZ金属陶瓷复合电极浆料,并由电极浆料涂覆、烧结后得到三种电极体系。用扫描电镜(SEM)详细地研究了这些电极体系的表面和界面微观形貌及其影响因素,结果表明烧结温度和时效时间对电极微观形貌影响显著。用电极三相界面(TPB)长度解释了实验结果,并优化了合适的电极制备工艺参数。界面微观分析表明多孔贵金属电极的反应活性中心即三相界面只存在于贵金属与电解质接触的界面上;而Pt/YSZ金属陶瓷复合电极将催化电化学反应的活性反应区扩展到整个电极的三维区域,同时也改进了电极与电解质的结合状态,并且YSZ颗粒能够有效地防止贵金属电极活性颗粒的长大。对于制备的Pt/YSZ金属陶瓷复合电极,研究了烧结温度和两相体积比(VPt/VYSZ)同复合电极微观结构的关系,得到了具有良好微观结构的复合电极所需的烧结温度范围和金属相与陶瓷相的体积配比。在此条件下,复合电极具有三种相互交叉和相互连接的金属相网络、电解质相网络和气相微孔网络,才能够形成足够长的连续三相界面,从而有利于电极反应中的氧离子电流和电子电流的流通和相互转换,因而才具有最佳的电催化性能。 对氧化锆氧传感器各种电极体系进行了比较系统的电化学阻抗谱(EIS)研究,在此基础上探讨了不同材料和参数对电极电化学性能的影响。通过在不同温度下测量电化学阻抗谱,分析得到电解质电阻Rs的表观活化能和电极极化过程的表观活化能。同时电极过程的弛豫频率随温度升高而快速增加,表明电极反应随温度增加而加快。通过不同电极的交流阻抗谱对比得到:在同样测量条件下,测试温度为500℃时,AgPd电极比Pt电极具有较低的电极极化电阻因而具有较高的催化活性;而测试温度为700℃时,Pt/YSZ复合电极比Pt电极具有较低的电极极化电阻因而具有较高的催化活性。对比了不同等效电路的拟合效果,用等效电路Rs(Rp(QW))能够相当准确地拟合电极系统的EIS数据,并且等效电路元件与电极的物理化学过程相对应,从而解释了电极电化学阻抗行为。 基于整个电极反应的七个步骤,并建立了复合电极的连续相微观模型,在此模型基础上得到了其微结构稳态等效电路。提出了金属陶瓷复合电极的稳态极化模型,根据模型预测了金属陶瓷复合电极的最佳厚度范围(3L*x4.5L*),并将复合电极的极化曲线与贵金属电极的极化曲线相对比,讨论了复合电极在整个极化范围内的极化行为。 设计并研制出套管式氧化锆氧传感器及其性能测试装置系统,对氧化锆氧传感器的各种性能进行了测试和评价。测试结果表明氧化锆氧传感器具有输出信号准确和响应时间短的优良特性。在不同温度和不同氧分压下对氧传感器进行了输出电动势的准确性测试,在温度高于850K时,输出电动势与由Nernst方程计算得到的理论电动势之间相差一个较低而稳定的零电位。在台架实验中得到套管式氧传感器的电动势输出曲线和氧传感器的基本工作性能:在尾气温度高于350℃时,升温激活时间≤32s,响应时间≤600ms,浓燃烧状态输出电势≥850mV,稀薄燃烧状态输出电势≤150mV,可控制浓稀波动周期≥1s,这些性能参数能够满足汽车排放控制实际应用的要求。基于燃烧气体化学平衡理论得到了氧传感器输出电动势U和λ的关系,实验结果与之非常一致。同时用热力学理论推导了浓燃烧状态下的输出电动势以及温度对输出电动势的影响。这些实验和分析对于汽车用氧传感器的研制和实际应用具有很重要的指导作用。


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