固态混合电势气体传感器的原理和应用

^[5]：

q =KC_x (8)

式中，x0小于1的常数。-大于

因此可以得到上述电化学反应的交换电流密度为：

=k₁ (9)

(10)

式中，m，n-常数。

在两电化学反应均为电荷传输过程控制，且过电位较大时，等式（2）和（5）可以简化为Tafel方程，即：

(11)

(12)

联立等式(6)、(9)、(10)、(11)和(12)得到平衡混合电势为：
(13)

式中，

当环境中氧分压为常数时，E_mixCO的浓度的对数呈线性关系，即：就与

E_mix=E₀-nblnC_CO (14)

式中，E₀、b-常数。

一些带有参比电极的混合电势器件测量电池电势接近于平衡氧电势。这意味着还原性气体的氧化反应出现在高过电位，而氧气的还原反应出现在低过电位。如果E_mixCO的氧化反应在高的过电位下发生，那么O₂的还原反应的动力学可能遵循线性关系，等式（2）在低过电位时近似为：接近平衡氧电势，氧气的还原反应在低过电位下发生，而

(15)

联立等式(6)、(9)、(10) 、(12)和(15)得平衡混合电势为：

(16)

因为E_mix0，因此上式可以近似为：接近平衡氧电势，所以E_mix－ 接近于

(17)

在COCO浓度对数呈线性关系。₂一定的条件下，E_mix也与

如果在氧气的电化学反应为电荷传输过程控制，且过电位较大，而CO的氧化反应由扩散极限控制，那么联立等式(4)、(6)、(9)和(11)，得到平衡混合电势为：

(18)

在常氧浓度条件下仍然得到了E_mixCO的浓度的对数呈线性关系。与

Elisabetta Di Bartolomeo 等人制备了Pt/YSZ/Pt/WO₃电池，并且观察到其混合电势与NO₂，CO气体浓度的对数呈线性曲线的响应行为，如图2所示。

如果E_mixCO的氧化反应由扩散极限控制，那么联立扩散质量传输限制方程(4)、线性氧还原等式(15)、(6)和(9)得到平衡混合电势为：接近平衡氧电势，同时氧气的还原反应在低过电位下发生，而

(19)

此式给出了CO浓度和混合电势的线性关系。

此外，Fernando Garzon等人还观察到了电池Pt/Ce_0.8Gd_0.2O_1.9/Au的混合电势与各种还原性气体浓度的线性关系，如图3所示。

三、混合电势传感器的应用和研究趋势

由研究氧传感器非Nernstian现象而产生的混合电势传感器主要有三方面的应用：

1、在锅炉气氛控制和汽车尾气排放控制系统的应用，这是为了满足全球环境保护的要求。汽车尾气中各种有害成分通常高达几百ppm，因此传感器被应用于这些燃烧过程的监测控制。

2、在煤矿和天然气开采等危险环境中对易燃易爆气体进行监测。采矿特别是煤矿和天然气开采环境中含有大量可燃气体，具有爆炸性的危险，所以必须用传感器来检测这些危险气体成分，保证采矿生产安全正常运行。

3、用于各种户外环境气体或者家居有害气体的检测。当前环境保护法规越来越严格，人类也越来越关心户内户外的环境气体对人体的影响，也就需要传感器来检测各类环境气体的变化。正是这些应用需求为混合电势传感器提供巨大的市场。

混合电势理论是具有优良性能的混合电势传感器的基础，也是制备下一代各种气体传感器的基础。混合电势传感器能够快速原位在线直接测量各种环境气体，并且应用市场广阔，但这些传感器也有一些限制因素，而改善这些限制因素的研究正是这一领域的发展方向：

1、寻找新的混合电势传感器的电极材料来提高传感器的灵敏性、信号重复性、长期稳定性、对不同气体的选择性和扩大检测气体的种类等实用化研究。

2、通过研究电极材料和电解质材料来扩大传感器的工作温度范围。一方面，在较低的温度下，传感器能够准确有效的输出信号；另一方面，在高温下，传感器要具备一定的抗高温老化和抗中毒性能。

3、要降低混合电势传感器的生产成本，必须进行大规模生产，而生产的高效率则必须依赖于传感器制备工艺的自动化。利用微制备技术和流延、丝网印刷等多层平板技术提高生产能力达到可接受的总生产效率。

4、混合电势传感器通常带有复杂的电子电路。如果没有精确控制的电子电路，传感器的反馈控制功能也无法实现。因此有必要将包括传感器、电子电路、软件等各部分作为一个整体模块进行研究，来提高整个混合电势传感器的可靠性和实用性。

四、结束语

以混合电势响应为基础的固态高温气体传感器为各种还原性气体提供了一种简单快速并且低成本的原位在线测量。这些传感器响应机理因电极材料、电极微观形貌等不同而有所变化，主要分为混合电势与被测气体浓度呈对数关系或者线性关系两种类型。其响应行为取决于电极反应的Butler-Volmer动力学方程的具体形式和气体扩散的质量传输限制。电化学动力学和不同催化电极性能是描述这一传感器响应性能的必要条件。本文通过对四种可能传感控制原理的比较