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氧化鋯原理

 
作者:盧瑞祥
 
2008-12-24 15:01:54
  
 

      氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質組成的氧濃度差電池來測氧的傳敢器。它是本世紀6O年代才興起的。屬于固體離子學中一個重要應用方面.這類氧傳感器已在國內外廣泛用于工業爐窯優化燃燒,產生了顯著的節能效果;廣泛用于汽車尾氣測量,明顯地改善了城市環境污染;廣泛用于鋼液測氧,大大提高了優質鋼的質量和產量;廣泛用于惰性氣體中測氧,其靈敏度和測氧范圍非其它氧量計可比。本文從理論分折和實際應用兩個方面闡述了上述問題。氧化鋯傳感器的主要應用可歸納為以下五個方面:
1.煙氣測氧:主要用于發電廠、煉油廠、鋼鐵廠、化工廠、輕紡印染廠、食品加工廠、等企業。
2.汽車尾氣測量:目前主要用于載人的小汽車和轎車等。
3.鋼液測氧:主要用于鋼鐵公司和煉銅廠等冶煉企業。
4.惰性氣體測氧:主要用于鋼鐵公司、空分廠、化肥廠和電子企業等。
5.物化研究:主要用于高溫氧化還原反應中熱力學和動力學參數測定。
      我國從1975年起也迅速開展了這一應用領域的研究工作。中國原子能科學研究院、北京鋼鐵學院和中國科學院t海硅酸鹽研究所等單位均在不同應用方面取得了重要成果。其中中國原子能科學研究院研制成功了煙氣鍘氧傳感器和惰絲氣體鍘氧傳感器,北京鋼鐵學院研制成功了鋼液定氧傳感均達到或接近國外水平,并在我國得到了推廣應用。       

氧化鋯傳感器的測量原理以及結構特點:
氧化鋯傳感器的核心構件是氧化鋯固體電解質,氧化鋯固體電解質是由多元氧化物組成的。常用的這類電解質有ZrO2·Y2O3,它由二元氧化物組成,其中,ZrO2稱為基體,Y2O3稱為穩定劑。ZrO2在常溫下是單斜晶體,在高溫下它變成立方晶體(螢石型),但當它冷卻后又變為單斜晶體,因此純氧化鋯的晶型是不穩定的。所以當在ZrO2中摻人一定量的穩定劑Y2O3時,由于Y3+置換了Zr4+的位置,一方面在晶體中留下了氧離子空穴,另一方面由于晶體內部應力變化的原因,該晶體冷卻后仍保留立方晶體,因此又稱它為穩定氧化鋯。據上分析,穩定氧化鋯在高溫下(650℃以上)是氧離子的良好導體。
典型的氧化鋯傳感器是
              Pt,P''O2│ZrO2·Y2O3│P'O2,Pt
在上述電池中,Pt表示兩個鉑電極,它是涂制在氧化鋯電解質的兩邊,兩種氧分壓為P''O2和P'O2的氣體分別通過電解質的兩邊。作為氧傳感器,其中P''O2是參比氣,例如通人空氣(20.6%O2),P'O2是待測氣,例如通入煙氣。在高溫下,由于氧化鋯電解質是良好的氧離子導體,上述電池便是一個典型的氧濃差電池。
      在高溫下(650---850℃),氧就會從分壓大的P''O2一側向分壓小的P'O2側擴散,這種擴散,不是氧分子透過氧化鋯從P''O2側到P'O2側,而是氧分子離解成氧離子后,通過氧化鋯的過程。在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P''O2側發生還原反應,一個氧分子從鉑電極取得4個電子,變成兩個氧離子(O2-)進入電解質,即:
                     O2(P''O2)+4e→2O2-
P''O2側鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解質后,通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極,在電池的P'O2側發生氧化反應,氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出,即:
                     2O2--4e→O2(P'O2
P'O2側鉑電極由于大量得到電子而帶負電,成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上,由于正負電荷的堆積而形成一個電勢,稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時,負極上的電子就會通過外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過。
其池電勢由能斯特方程給出:
              E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
式中R為氣體常數,T為電池的熱力學溫度(K),F為法拉第常數.(1)式是在理想狀態下導出的, 必須具有四個條件:(1)兩邊的氣體均為理想氣體;(2)整個電池處于恒溫恒壓系統中;(3)濃差電池是可逆的;(4)電池中不存在任何附加電勢。因此稱(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見由于參比氣氧含量P''O2是已知的,因此測得E值后便可求得待測氣體氧含量P'O2值。
當電池工作溫度固定于700℃時,上式為:
                     E=48.26lg(P''O2/P'O2)
由上式,在溫度700℃時,當固體電介質一側氧分壓為空氣(20.6%) 時,由濃差電池輸出電動勢E,就可以計算出固體電介質另一側氧分壓,這就是氧化鋯氧量分析儀的測氧原理。

 
 
 
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