金属液氢传感器铝基固体电解质制备及电化学性能研究

The developed hydrogen sensors still have the following problems up to now: short continuous working time, measurement precision to be improved and too high price. The existing hydrogen sensor electrolyte (CaZrO3 doped with In) has poor chemical stability under a high-temperature environment, which affects the doping effect thus, causing the poor measurement precision of the liquid copper hydrogen sensor. Therefore, this subject will focus on the electrochemical characteristics of CaZrO3 proton-conducting solid electrolyte doped with Al and some other basic scientific problems to lay the foundation for the development of more efficient hydrogen sensors. 1) Indicate the impact of the doping of M on the chemical stability of the proton-conducting solid electrolyte material. 2) Demonstrate the impact of the sintering temperature, doping quantity, sintering atmosphere, etc. on the proton mobility, conducting activation energy, electric conductivity and other electrochemical characteristics of the proton-conducting solid electrolyte. 3) Study on the transmission mechanism of M-doping Al2O3 proton-conducting solid electrolyte. The above researches aim at replacing the electrolyte of hydrogen sensor to figure out the problems with instability under high temperature and short continuous measuring time.

对金属熔液中氢含量进行准确、简便的测量在冶金及材料生产过程中具有十分重要的意义，但现有的氢传感器存在连续工作时间短、测量精度差和价格贵等问题。研究较为广泛的氢传感器电解质（In掺杂CaZrO3）在低温领域有较好的化学稳定性，且在铝液定氢传感器中获得了应用，但在1473K以上时发生分解（In2O3→In2O+O2），化学稳定性差，导致金属液定氢传感器的测量精度不高，限制了其在工业环境中的应用。因此，本课题将着重研究Al2-xMxO3-а质子导电固体电解质的电化学特性等科学问题。明确掺杂剂对质子导电固体电解质材料化学稳定性的影响；明确烧结温度、掺杂量和烧结气氛等对质子导电固体电解质的质子迁移率、导电活化能、导电率等电化学性能的影响规律；阐明质子导电固体电解质的质子传输机理。通过研究旨意替换现有氢传感器的电解质，解决高温不稳定和连续测量时间短的缺点，为更高效的氢传感器奠定基础。

对金属熔液中氢含量进行准确、简便的测量在冶金及材料生产过程中具有十分重要的意义，但现有的氢传感器存在连续工作时间短、测量精度差和价格昂贵等问题。研究较为广泛的氢传感器电解质（In掺杂CaZrO3）在低温领域有较好的化学稳定性，且在铝液定氢传感器中获得了应用，但在1473K以上时发生分解（In2O3→In2O+O2），导致化学稳定性差，金属液定氢传感器的测量精度低，限制了其在工业环境中的应用。因此，本课题着重研究了Al2-xMxO3-а质子导电固体电解质的电化学特性等基础科学问题。采用溶胶凝胶法和优化固相法制备了Al2-xMxO3-а体系质子导体固体电解质材料，利用XRD、SEM等对质子导体材料的相结构及微观形貌进行表征，采用电化学工作站等测试了质子导体材料的电导率、同位素效应、电动势、氢扩散系数及高温化学稳定性等。研究结果表明，所制备的Al2-xMgxO3-α系列高温质子导体电解质具有良好的质子导电性和高温化学稳定性，可作为备选材料用于金属熔体氢传感器固体电解质材料，具有良好的推广和应用前景。