论文部分内容阅读
N02传感器在环境监测中的重要应用引起了人们的广泛关注。传统的基于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)固态NO2传感器具有响应快、灵敏度高、稳定性好等特点,但在中低温下其离子电导率显著降低,限制了其在工业上的实际应用。因此,寻找一种新型高性能中低温固体电解质来代替传统YSZ固体电解质材料具有重大的实际意义。本论文选用烧绿石型Pr2Zr2O7作为固体电解质材料,在Zr位和Pr位分别掺杂Ce,A1、Ga、In和Ca、Sr、Ba,通过不同位的单掺杂和双掺杂调变Pr2Zr207固体电解质的结构,以提高其N02传感性能。主要工作内容有:(1)通过共沉淀法合成Pr2Zr2-xCexO7+δ(PZC)、Pr2Zr2-xMxO7+δ(PZM,M=Al,Ga,In)、Pr2-xMxZr1.95In0.05O7+δ(PMZI,M=Ca,Sr,Ba)氧化物,并以PZC、PZM、PMZI作为固体电解质制备新型NO2传感器,通过XRD、SEM、Raman和XPS等表征对PZC、PZM、PMZI进行结构分析;(2)对PZC、PZM、PMZI基固体电解质传感器通过电化学工作站IM-6进行I-V曲线、响应性能、选择性、稳定性以及阻抗谱等电化学性能方面的测试研究;(3)对PZM、PMZI固体电解质进行结构上的理论模拟计算,采用Vienna Ab-into Simulation Package(VASP)进行计算处理,广义梯度近似(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)用于交换泛函,使用(PAW)方法描述芯和价电子之间的相互作用。论文主要取得如下结果:(1)成功制备了PZC传感器。在Zr位引入Ce显著提高了Pr2Zr2O7氧离子的迁移速率和NO2传感器性能。在极化电压为-300 mV,中低温(500-700℃)的测试环境下通入浓度为50-500 ppm的N02,其响应电流值与N02浓度近似于线性关系。其中Pr2Zr1.9Ce0.1O7+δ传感器性能较优,在600℃ 500 ppmNO2下灵敏度(15.4 nA/ppm)和响应电流值(7.7 μA)较高,90%的响应和恢复时间分别为13和22 s。(2)制备了PZM传感器。采用VASP软件对PZM固体电解质进行理论计算,并提出了一种合理的氧离子传输路径。In3+掺杂不仅可以产生更多的氧缺陷,而且还可以最大限度地降低八面体[Zr06]单元中48f氧离子的键能,从而显着提高N02传感性能。基于优化的Pr2Zr1.95In0.05O7+δ传感器的△I值分别是纯Pr2Zr207和已经商业化YSZ氧导体的4.4倍和2.5倍。(3)成功制备了PMZI传感器,并对其能带结构和态密度进行理论计算,讨论掺杂剂引起暗电流增加的原因。结果表明Pr2Ca0.02Zr1.95In0.05O7+δ传感器性能较优,在600℃C 500 ppm NO2下对NO2气体表现出优良的敏感性(224 nA/ppm)、选择性和稳定性,在传感器方面具有广阔的工业应用前景。