[发明专利]氨气传感器敏感材料及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及NH₃传感器技术领域。本发明提供一种NH₃传感器敏感材料及其制备方法，以及包含该敏感材料电势型NH₃传感器及其制备方法。所述敏感材料为Mg_(1‑x)Cu_xO(0x0.67)，其能选择性吸附NH₃至三相界面处发生电化学催化氧化，因而以其作为敏感材料的传感器对NH₃表现出极高的敏感度。

技术领域

本发明涉及氨气传感器技术领域，具体的，涉及一种氨气(NH₃)传感器敏感材料及其制备方法，以及包含该敏感材料的电势型氨气传感器及其制备方法。

背景技术

柴油车发动机在稀薄燃烧工况下会产生有害的污染气体氮氧化合物NOx(NO₂或NO)，为减少NOx的排放，在发动机尾气后处理中，采用尿素为选择催化还原剂的SCR系统被广泛使用。其原理是尿素被注入尾气管中受热分解成NH₃与NOx反应生成无害的N₂和H₂O。为精确控制NH₃含量，需要在尾气管中安装NH₃传感器在线监测NH₃浓度，并反馈电信号于控制系统。

在柴油车尾气后处理系统中，NH₃传感器长期处于高温和多种气体共存的复杂环境，要求NH₃传感器具有较高的敏感度、选择性及稳定性。基于YSZ固体电解质及氧化物陶瓷敏感材料的电势型NH₃传感器具有高温稳定、敏感度高、选择性好等优点，具有极高的应用前景。其敏感机理是：在高温下YSZ具有O^2-离子传导特性；参比电极三相界面处发生O₂还原反应(1)生成O^2-；同时氧化物陶瓷敏感材料选择吸附NH₃至测量电极三相界面处，与通过YSZ传导至此的O^2-发生氧化反应(2)；此时，参比电极与测量电极之间会有一个电势，根据非平衡能斯特公式，可以得到电势与NH₃浓度的关系(3)，通过测量电势差即可测量气体中NH₃的浓度。可见，NH₃电势信号的大小与反应(2)有关，其关键就在于测量电极中敏感材料对NH₃的选择吸附性和电化学催化活性，这取决于敏感材料的成分及微观结构如形貌、晶粒尺寸、孔隙等。

1/2O₂+2e^-→O^2- (1)

2/3NH₃+O^2-→1/3N₂+H₂O+2e^- (2)

为了提高此类NH₃传感器的敏感度，国内外研究人员对多种敏感材料进行了研究，如中国专利：CN201410675433.7，CN201810752485.8，CN201610718419.X，CN201910024131.6等，但其普遍存在响应值小、敏感度低、选择性不高等问题。此外，中国专利CN201710939725.0中通过设计多腔室结构提高NH₃传感器的抗干扰性，该NH₃传感器结构复杂，工艺难度大，制造成本高。

因此，有必要开发一种具有高选择吸附性、高电化学催化活性的敏感材料来提高NH₃传感器的响应值、敏感度及选择性，并设计结构简单、易于加工的NH₃传感器，降低制造成本。

发明内容