[發(fā)明專利]基于穩(wěn)定氧化鋯和ZnNb2O6敏感電極的高靈敏乙醇傳感器及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610020809.X
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105606679B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧革宇;劉方猛;梁喜雙;孫彥峰;孫鵬;馬健;高原
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司22201
• 代理人: 王淑秋,王恩遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于穩(wěn)定氧化鋯和ZnNb₂O₆為敏感電極的高靈敏乙醇傳感器及制備方法，其主要用于大氣環(huán)境的檢測。

背景技術(shù)

乙醇，作為實驗室和工業(yè)生產(chǎn)中常用的有機(jī)溶劑，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于溶解塑料制品，物質(zhì)提純以及制藥工業(yè)。長時間吸入高濃度的乙醇會導(dǎo)致頭痛，疲勞，甚至出現(xiàn)昏迷癥狀，嚴(yán)重危害人體的神經(jīng)系統(tǒng)。在工作場所及環(huán)境中檢測高濃度乙醇?xì)怏w是非常必要的。目前，在實驗室對乙醇?xì)怏w的選擇性測量主要依賴于大型分析儀器，包括氣-質(zhì)聯(lián)譜和光譜等方法，具有體積大、價格高、操作復(fù)雜和耗時長等缺點(diǎn)。和分析儀器相比，氣體傳感器具有體積小、價格低、靈敏度高和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，是構(gòu)建便攜式乙醇檢測儀的理想工具，因此成為當(dāng)前氣體傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，基于固體電解質(zhì)和氧化物敏感電極的混成電位型傳感器除具有靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)外，典型的固體電解質(zhì)---穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)和氧化物敏感電極材料具有檢測范圍廣，良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此由二者構(gòu)成的乙醇傳感器在大氣污染物監(jiān)控領(lǐng)域具有潛在的重要應(yīng)用。

穩(wěn)定氧化鋯基混成電位型乙醇傳感器的敏感機(jī)理是：氣氛中乙醇通過敏感電極層向三相反應(yīng)界面擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中由于發(fā)生反應(yīng)(1)，乙醇的濃度會逐漸降低，氧化物敏感電極的多孔性決定乙醇濃度的降低程度。在氣體/敏感電極/YSZ導(dǎo)電層的三相界面處，同時發(fā)生氧的電化學(xué)還原反應(yīng)和乙醇的電化學(xué)氧化反應(yīng)，反應(yīng)(2)和(3)構(gòu)成一個局部電池，當(dāng)兩者反應(yīng)速率相等時，反應(yīng)達(dá)到平衡，在敏感電極上形成混成電位，它與參考電極的電位差作為傳感器的檢測信號。檢測信號大小由電化學(xué)反應(yīng)(2)和(3)的速率來決定，而反應(yīng)速率取決于敏感電極材料的電化學(xué)和化學(xué)催化活性、電極材料微觀結(jié)構(gòu)(比如材料的多孔性、粒度、形貌等)。

反應(yīng)式如下：

C₂H₅OH+3O₂→2CO₂+3H₂O (1)

O₂+4e^-→2O^2- (2)

C₂H₅OH+6O^2-→2CO₂+3H₂O+12e^- (3)

目前，為了提高此類傳感器的敏感特性，開發(fā)可用于乙醇?xì)怏w檢測的高電化 學(xué)催化活性的敏感電極材料非常必要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于穩(wěn)定氧化鋯和ZnNb₂O₆為敏感電極的高靈敏乙醇傳感器及制備方法，以提高傳感器靈敏度、最低檢測下限等性能，促進(jìn)這種傳感器在大氣環(huán)境檢測領(lǐng)域的實用化。本發(fā)明所得到的傳感器除了具有高靈敏度外，還具有較低的檢測下限和穩(wěn)定性。

本發(fā)明所涉及的乙醇傳感器是基于固體電解質(zhì)YSZ和高電化學(xué)催化性能ZnNb₂O₆復(fù)合氧化物材料為敏感電極所構(gòu)筑的新型乙醇傳感器，YSZ(ZrO₂(8％Y₂O₃))作為離子導(dǎo)電層。

本發(fā)明所述的YSZ基混成電位型乙醇傳感器，如圖1所示，依次由帶有Pt加熱電極的Al₂O₃陶瓷板、YSZ基板、Pt參考電極和敏感電極組成；參考電極和敏感電極彼此分立且對稱地制備在YSZ基板上表面的兩端，YSZ基板下表面與帶有Pt加熱電極的Al₂O₃陶瓷板粘結(jié)在一起；其特征在于：敏感電極材料為ZnNb₂O₆，且由如下方法制備得到，