面向大气环境检测的NASICON基混成电位型气体传感器阵列的研究

高灵敏、高可靠、低功耗的环境气体传感器是构筑便携式检测仪和无线环境传感网络的关键。本项目面向大气环境污染气体检测的需求，研究基于固体电解质NASICON和氧化物电极的混成电位型气体传感器阵列，重点解决提高灵敏度和降低功耗的关键科学和技术问题。为了提高灵敏度，首先用多孔电极材料代替传统的致密氧化物电极材料以提高气体在电极层中的扩散速率，减少气体浓度的消耗，进而提高灵敏度；第二，通过构筑多孔纳米三相反应界面以增强气体的吸附、反应和电荷转移等微观过程，提高电化学反应的速率，最终改善灵敏度。为了降低固体电解质传感器的功耗，采用将CO2、NO2、SO2和CO四种典型环境气体传感器集成在NASICON基板上的平面阵列结构，通过共用加热器和器件的小型化来降低功耗。通过本项目的实施，不仅在基础研究层面确立一些NASICON基传感器设计的新策略，而且面向实用化开发出低功耗高灵敏的大气环境气体传感器。

本项目围绕研制高性能NASICON基毒害气体传感器的研究目标，通过NASICON流延基板的制备，高性能敏感电极材料开发和高效三相反应界面构建等研究内容的开展，制备出了一系列性能优良的毒害气体传感器。具体包括：1. 利用流延法成功制备了NASICON流延基板，得到了制备NASICON流延基板的最佳制备工艺条件，利用所制备的NASICON基板制作的CO2传感器具有较好的气敏性能。2. 成功开发了两种惰性参考电极材料和两种高性能的敏感电极材料。利用柠檬酸法制备LaCrO3为惰性参考电极的简易埋藏式传感器对100-5000ppm 的H2具有较高的灵敏度，斜率为−123mV/decade。利用聚合物法制备的CoCrMnO4材料作为惰性参考电极的深层埋藏式传感器对H2同样具有较高的灵敏度，传感器对H2的探测范围为100-5000ppm，其灵敏度可达−135mV/decade。利用溶胶-凝胶法制备的CoCr2O4材料作为敏感电极的传感器对Cl2表现出了优异的气敏特性，传感器的灵敏度可达到-235mV/decade，检测下限为0.1ppm。3. 成功的开发了两种构筑NASICON基混成电位型传感器三相界面的方法。方法一是在敏感电极材料NiCr2O4中掺入30%的NASICON粉体材料，提高了敏感电极的三相边界长度，在375℃时，传感器对丙酮的灵敏度可达-58 mV/decade。方法二通过控制烧结温度，在烧结温度为800℃敏感材料CoCr1.2Mn0.8O4的催化活性和三相边界长度能够达到最佳的平衡，在工作温度为250℃时，对硫化氢的灵敏度为75mV/decade，其检测下限可达0.1ppm。除了NASICON基混成电位型毒害气体传感器的研究外，本项目还进行了一系列YSZ基混成电位型传感器的研究，主要通过高性能的敏感电极材料的开发和高效三相反应界面的构筑制作出多种高性能的H2S和NO2传感器，其相应的研究思想和技术手段可以移植到NASICON基传感器的研究方向。在项目的完成过程中，发表学术论文18篇，其中SCI论文16篇，EI论文1篇，国际会议论文1篇。发表论文数量远远超过项目目标（8篇论文）。获得中国授权发明专利2项，这一指标也满足项目要求。协助培养博士研究生2名，硕士研究生5名。