[發明專利]一種復層極限電流型氫氣傳感器及其制備方法

無效

• 申請號: 200910158850.3
• 申請日: 2009-07-06
• 公開（公告）號: CN101655475A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發明（設計）人: 王嶺;戴磊;李躍華;周會珠;唐曉薇
• 申請（專利權）人: 河北理工大學
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于化學氣體傳感器技術領域，具體涉及一種復層極限電流型氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

高品位的鋁及鋁合金是近代尖端技術及國防工業的重要材料。在鋁熔煉及鑄造時，由于熔體直接暴露在大氣中，氣氛中的水分很容易與熔體發生反應而吸氫。鋁液凝固時，氫的溶解度會降至原來的二十分之一以下，氫將析出，造成許多氣孔；剩余的氫又使材料氫脆。因此氣孔嚴重影響鋁材的深加工性能及耐腐蝕性能等，是飛機零件、磁鼓、光盤中的覆蓋層等所不能容許的。為控制脫氫過程，要求迅速準確地測定鋁液中氫含量。

長期以來人們致力于測氫技術的研究開發。目前較成熟的技術包括減壓法(Straube-Pfeiffer)，空隙率分析法，氣體循環法。目前廣泛使用的氣體循環法存在儀器價格高，操作復雜且，分析時間長和不便于攜帶等問題，特別是不能實現H₂的連續、在線檢測和控制。

電化學傳感器的優點是選擇性強，響應快速，而且可實現在線連續測定。目前用于氫氣測定的電化學傳感器可分為兩類：濃差電池型和極限電流型。

濃差電池型氫傳感器可表示為：p1(H₂)H⁺conductor?p2(H₂)。這個電池的電動勢遵守能斯特方程：U＝RT/2Fln(p2(H₂)/p1(H₂))。在這里U是電池的電動勢，R是氣體常數，T是絕對溫度，F是法拉第常數，p2(H₂)和p1(H₂)分別是氫在測量電極和參比電極上的分壓。根據熔體中氫的濃度和氫的分壓間的關系：S＝A/T+B+1/2logp2(H₂)可計算熔體中氫含量。式中：S表示熔體中氫的濃度，A和B是常數，p2(H₂)是氣氛中氫的分壓。Iwahara等人用SrCeO₃、BaCeO₃和CaZrO₃基質子傳導材料作為固體電解質，以氫氣或水合鹽作參比電極制備了這類氫氣傳感器，得到了非常穩定的電動勢[Yajima?N，Iwahara?H，Fukatsu?N，et?al.，Journal?of?JapanInstitute?of?Light?Metal，42(1992)263]。鄭敏輝等[鄭敏輝，陳祥，金屬學報，30(1994)B238.]使用SrCeO₃型質子導體為電解質，Ca/CaH₂作-參比電極，得到了可連續工作60小時的氫氣傳感器，但由于Ca/CaH₂參比電極不穩定和密封問題的存在，影響其推廣和應用。Yajima等人以鈣鈦礦結構的CaZr_0.9In_0.1O₃為固體電解質，以1％氫為參比電極構成了氫氣傳感器，在鋁熔體中實驗結果與Telegas法很好地符合[K.Ktahira，H.Matsumoto，H.Iwahara，Sensors?andActuators?B，73(2001)130]。日本TYK公司將這種氫氣傳感器實現了商品化。據報道這種測頭響應快，檢測的濃度范圍寬(0-1.0ml/100g)，其準確度可以達到2％。但由于使用氣體參比電極，明顯存在儀器復雜、操作不便及安全等問題。英國劍橋大學Fray等人在此基礎上開發了以CaZr_0.9In_0.1O₃為固體電解質，Zr/ZrH_x為參比電極的氫傳感器[D?P?Lapham?and?D?J?Fray，Ionics，8(2002)391]。傳感器的穩定性高、重現性好、結構簡單。由于濃差電池型氫氣傳感器的信號與氫的分壓成對數關系，因此在整個測定內，信號變化較小，不夠敏感。

而極限電流型氫傳感器具有以下優點：一是靈敏度高、控制精度好；二是對溫度依賴小；三是不需要參比電極；四是制備簡單、易于微型化。目前，極限電流型氫傳感器已研制出了小孔擴散型傳感器[Noboru?Taniguchi，Tomohiro?Kuroha，Chiharu?Nishimura.Solid?State?Ionics，176(2005)2979]。但小孔擴散型傳感器在長時間使用時容易造成小孔尺寸的改變甚至堵塞，從而影響其敏感性能和工作穩定性，而且加工工藝相對復雜，價格較高。