锆/氧化锆高温高压化学传感器电极膜材料的制备与表征

【摘要】：为了有效地对洋中脊高温高压水热流体进行原位直测,从洋中脊热水喷口直接获得热液有关的化学参数,需要使用高温高压化学传感器。为此,必须使用在此环境中电化学性能良好的功能材料。近年来研究表明:过渡金属/金属氧化物化学传感器是一个新的研究方向,可以部分替代YSZ传感器,用于深海水热环境、地热区和实验室的高温高压热液环境下测量流体的pH、H2、H2S等参数。 过渡金属/金属氧化物的物理化学性质是关系化学传感器功能的重要研究方向。我国研制开发的锆/氧化锆(Zr/ZrO2)高温高压化学传感器在国内外是创新成果。已经于2004年6月和12月在我国南海的深海探测中成功应用。本论文重点研究此种传感器中Zr/ZrO2电极膜材料的电化学性能与膜材料结构之间的关系。 利用熔体氧化法在锆金属丝表面形成一层氧化锆薄膜,制备出Zr/ZrO2氧化还原电极,同其它电极配合构成了新型Zr(Zr/ZrO2)化学传感器。从低温至高温对Zr/ZrO2电极膜材料的电化学性能进行了测定,区分出电化学性能好坏两类电极,寻找出了熔体氧化法制备电极的影响因素及最佳工艺条件,即在NaCO3熔体里恒温1.5小时,膜厚度控制在40微米左右。 应用SEM、EPMA、XAFS、XPS、HRTEM等方法,对Zr/ZrO2电极膜材料的形貌、成分、界面结构、物相类型和薄膜元素的价态等进行了表征,发现并研究了电极膜材料Zr/ZrO2界面的形貌和成分分带的现象。Zr/ZrO2界面根据形貌和成分由表及里分为五带:富氧的ZrO2带、ZrO2带、富氧的Zr带、含氧的Zr带、Zr带。发现ZrO2薄膜由小于100nm的ZrO2晶粒组成。 Zr/ZrO2电极的电导率与ZrO2的物相类型、膜中氧的含量和扩散深度有直接关系。电化学性能好的Zr/ZrO2电极必须是最外层形成一定厚度的连续的富氧的ZrO2薄膜。 以上实验研究成果,对于发展新材料、膜材料,发展新型原位探测深海水热流体的化学传感器、更好地利用我国近海资源有着重要的意义。