固体电解质气敏传感器的工作原理(固体电解质氧传感器在工业上的应用)

导语：气体传感器的种类-固体电解质气体传感器

固体电解质是具有与电解质水溶液相同的离子电导率特性的固体物质，用作气体传感器时就是电池。它不需要气体通过透气膜溶解在电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。该传感器由于具有高电导率、良好的灵敏度和选择性，已广泛应用于石化、环保、矿业、食品等领域。

只有同一种电解质在高温下才具有明显的导电性。 氧化锆（ZrO2）是一种典型的气体传感器材料。纯氧化锆在室温下具有单斜晶系结构。当温度升高到1000℃左右时，会发生同素异形体转变，单斜结构转变为多晶结构，并伴有体积收缩和吸热反应。因此，它是一个不稳定的结构。

因此，ZrO2掺杂了碱土CaO或稀土Y2O3等稳定剂，使其成为稳定的萤石立方晶体。稳定程度与稳定剂的浓度有关。ZrO2 加入稳定剂后，在 1,800°C 的气氛中烧结。部分锆离子会被钙离子置换生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是二价正离子，Zr4+是四价正离子，为保持电中性，晶体中会产生氧离子O2-空穴。这就是（ZrO·CaO）在高温下转移氧离子的原因。因此，(ZrO·CaO)在300～800℃成为氧离子的导体。

但要真正能够传递氧离子，固体电解质的两边应该有不同的氧分压（氧电位差）才能形成浓浓电池。其结构如图所示，两侧为多孔贵金属电极，中间为致密ZrO·CaO材料构成的夹层结构。

图 5. 固体电解质气体传感器的结构

设电极两侧的氧分压分别为PO2(1)和PO2(2)，两个电极发生如下反应：

(+)极：PO2(2), 2O2-→O2+4e

(-)极：PO1(1), O2+4e→2O2-

上述反应的电动势用 能斯特方程表示：

可见，在一定温度下，PO2(1)是固定的，利用上式可求出(+)极待测氧气浓度。

固定PO2(1)实际上是(-)电极上的固定电位电极，即参比电极。有气体参比电极和共存相参比电极。气体参比电极可以是空气或其他混合气体，如H2-H2O、CO-CO2也可以形成固定的PO2(1)。共存相参比电极是指金属-金属氧化物和低价金属氧化物-高价金属氧化物的混合粉末（固相）。这些混合物与氧气（气相）混合产生氧化反应并形成相同的氧气压力。

除测量氧气外，固体电解质传感器如β-Al2O3、碳酸盐、NASICON气体传感器等也可用于测量CO、SO2、NH4等气体。近年来还出现了可在低温下使用的气体传感器，如锑酸和La3F气体传感器，可用于检测正离子。

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