氧化鋯氧傳感器電極性能研究.pdf

1、氧化鋯固體電解質氧傳感器可以監(jiān)測和控制各種燃燒氣氛以及冶金反應，因此已經(jīng)廣泛應用于環(huán)保、材料、化工、冶金、能源、宇航等領域。本文在對國內(nèi)外關于氧化鋯氧傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展進行綜述的基礎上，系統(tǒng)地研究了氧化鋯氧傳感器電極制備和測試等關鍵技術。 制備出了貴金屬電極漿料和Pt/YSZ金屬陶瓷復合電極漿料，并由電極漿料涂覆、燒結后得到三種電極體系。用掃描電鏡（SEM）詳細地研究了這些電極體系的表面和界面微觀形貌及其影響因素，結果表明燒結

2、溫度和時效時間對電極微觀形貌影響顯著。用電極三相界面（TPB）長度解釋了實驗結果，并優(yōu)化了合適的電極制備工藝參數(shù)。界面微觀分析表明多孔貴金屬電極的反應活性中心即三相界面只存在于貴金屬與電解質接觸的界面上；而Pt/YSZ金屬陶瓷復合電極將催化電化學反應的活性反應區(qū)擴展到整個電極的三維區(qū)域，同時也改進了電極與電解質的結合狀態(tài)，并且YSZ顆粒能夠有效地防止貴金屬電極活性顆粒的長大。對于制備的Pt/YSZ金屬陶瓷復合電極，研究了燒結溫度和兩相體

3、積比（VPt/VYSZ）同復合電極微觀結構的關系，得到了具有良好微觀結構的復合電極所需的燒結溫度范圍和金屬相與陶瓷相的體積配比。在此條件下，復合電極具有三種相互交叉和相互連接的金屬相網(wǎng)絡、電解質相網(wǎng)絡和氣相微孔網(wǎng)絡，才能夠形成足夠長的連續(xù)三相界面，從而有利于電極反應中的氧離子電流和電子電流的流通和相互轉換，因而才具有最佳的電催化性能。 對氧化鋯氧傳感器各種電極體系進行了比較系統(tǒng)的電化學阻抗譜（EIS）研究，在此基礎上探討了不同材

4、料和參數(shù)對電極電化學性能的影響。通過在不同溫度下測量電化學阻抗譜，分析得到電解質電阻Rs的表觀活化能和電極極化過程的表觀活化能。同時電極過程的弛豫頻率隨溫度升高而快速增加，表明電極反應隨溫度增加而加快。通過不同電極的交流阻抗譜對比得到：在同樣測量條件下，測試溫度為500℃時，AgPd電極比Pt電極具有較低的電極極化電阻因而具有較高的催化活性；而測試溫度為700℃時，Pt/YSZ復合電極比Pt電極具有較低的電極極化電阻因而具有較高的催化活

5、性。對比了不同等效電路的擬合效果，用等效電路Rs(Rp(QW))能夠相當準確地擬合電極系統(tǒng)的EIS數(shù)據(jù)，并且等效電路元件與電極的物理化學過程相對應，從而解釋了電極電化學阻抗行為。 基于整個電極反應的七個步驟，并建立了復合電極的連續(xù)相微觀模型，在此模型基礎上得到了其微結構穩(wěn)態(tài)等效電路。提出了金屬陶瓷復合電極的穩(wěn)態(tài)極化模型，根據(jù)模型預測了金屬陶瓷復合電極的最佳厚度范圍（3L*＜x＜4.5L*），并將復合電極的極化曲線與貴金屬電極的極

6、化曲線相對比，討論了復合電極在整個極化范圍內(nèi)的極化行為。 設計并研制出套管式氧化鋯氧傳感器及其性能測試裝置系統(tǒng)，對氧化鋯氧傳感器的各種性能進行了測試和評價。測試結果表明氧化鋯氧傳感器具有輸出信號準確和響應時間短的優(yōu)良特性。在不同溫度和不同氧分壓下對氧傳感器進行了輸出電動勢的準確性測試，在溫度高于850K時，輸出電動勢與由Nernst方程計算得到的理論電動勢之間相差一個較低而穩(wěn)定的零電位。在臺架實驗中得到套管式氧傳感器的電動勢輸出

7、曲線和氧傳感器的基本工作性能：在尾氣溫度高于350℃時，升溫激活時間≤32s，響應時間≤600ms，濃燃燒狀態(tài)輸出電勢≥850mV，稀薄燃燒狀態(tài)輸出電勢≤150mV，可控制濃稀波動周期≥1s，這些性能參數(shù)能夠滿足汽車排放控制實際應用的要求。基于燃燒氣體化學平衡理論得到了氧傳感器輸出電動勢U和λ的關系，實驗結果與之非常一致。同時用熱力學理論推導了濃燃燒狀態(tài)下的輸出電動勢以及溫度對輸出電動勢的影響。這些實驗和分析對于汽車用氧傳感器的研制和實