基于YSZ混合电位高温H2传感器敏性能研究

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氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点,与太阳能、核能一起被称为三大新能源,在燃料电池汽车、半导体制造、化工生产企业等领域得到广泛的应用。氢气是一种无色,无味的气体,当与空气混合,在4-75%(体积)的浓度范围内,是易燃的。因此,在氢气的生产与使用时需要对其进行安全监测。基于氧化钇掺杂稳定氧化锆(YSZ)的混合电位型氢气传感器由于其灵敏度高、成本低、能在高温下长时间工作等优点得到广大研究人员的关注。目前,研发高性能混合电位型氢气传感器的热点之一在于找到合适的敏感电极材料。  本文通过沉淀法和水热合成法制备了单斜晶相ZnWO4、 CdWO4和MnWO4,应用XRD和SEM两个表征手段对制备的钨酸盐进行物相和微观形貌分析。基于YSZ,首次提出以这三种钨酸盐作为混合电位高温气体传感器的敏感电极;以氮气为背景气,氧气浓度为10%,研究了这三种传感器对H2以及CO、NO2、 C3H8这三种干扰气的气敏性能,并进行了机理分析,选择出对氢气气敏性能较为优异的传感器进行了进一步气敏性能研究。  研究发现,ZnWO4|YSZ|Pt型传感器的最佳工作温度为600℃,其它两种传感器的最佳工作温度均为500℃。最佳工作温度测试过程中,随着温度的升高,三种传感器对氢气的响应越来越小,其主要原因是由于高温下敏感电极的催化作用,氢气在未达到TPB前即与氧气发生反应,到达TPB的氢气减少,从而导致传感器的响应减小。在最佳工作温度下,对三种传感器气敏性能进行比较:ZnWO4|YSZ|Pt型传感器对0.5-3.0%氢气灵敏度最高,对CO/NO2/C3H8三种可能的干扰气具有优异的选择性,其恢复时间最短;总体来说,作为氢气传感器,ZnWO4|YSZ|Pt型传感器的气敏性能最为优异。  本文进一步研究了ZnWO4|YSZ|Pt型氢气传感器的重复性、长期稳定性、传感器与传感器间一致性以及氧气浓度和湿度对传感器的影响。传感器的重复性和长期稳定性良好;由于是人为手工制作,导致传感器间对氢气的响应有微小差异。此外,传感器的响应会受到氧气浓度和湿度的影响,传感器性能还需要进一步提高。
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