基于Nafion质子膜的燃料电池型CO传感器的研究

As one kind of the new generation gas sensors, full cell type CO sensors based on Naficon proton membrance have many advantages, such as low power consumption, intrinsically safe, high accuracy, good stability and can be in harsh conditions, etc. But in order to extend its application fields, some issues need to be solved, i.e. high detection limit, small measuring range, short life and bad selectivity in rich hydrogen atmosphere.By exploring the nano and alloy technology of the noble metal electrode materials and building three-dimensional porous three-phase reaction interface, the lower limit of CO concentration detection can be reduced and the testing scope can be expanded; in addition, by optimizing the reference electrode structure (inactivating electrode material and purifying reactive atmosphere) and designing new water supply system, the long-term stability of the CO sensor can be improved ; by modifying sensitive electrode materials with oxides, the selectivity can be enhanced.Through implementing this subject, we expect that we can not only establish the key technology about the preparation of electrode material preparation, the construction of three-phase interface, design of device structure, evaluation of reliability and develop high-performance full cell type CO sensors. But also look forward to, clear perception mechanism of Nafion proton film-based gas sensor, kinetics process of the electrode reaction, composition of electrode material, microstructure and properties of CO sensitive association, and other key scientific problems on the basic research level.

基于Nafion质子膜的燃料电池型CO传感器具有低功耗、本质安全、精度高、稳定性好和可在苛刻环境下工作等优点，是最重要的新一代气体传感器之一。为了扩展其应用领域，需要解决其检测下限高、测量范围小、寿命短和在富氢气氛下选择性差等问题。本课题拟通过贵金属电极材料的纳米化和合金化技术、三维多孔三相反应界面的构建来降低CO浓度检测下限和扩大检测范围；通过优化参考电极结构(电极材料的惰性化、反应气氛的洁净化) 和设计新型供水系统来提高CO传感器的寿命；通过对敏感电极材料进行氧化物修饰来提高选择性。通过本课题的实施，不仅期望确立电极材料制备、三相界面构建、器件结构设计和可靠性评价等方面的关键技术，研制出高性能燃料电池型CO传感器，而且还期待在基础研究层面上，明晰Nafion质子膜基气体传感器的感知机制，电极反应动力学过程，电极材料的组成、微观结构与CO敏感特性的关联等关键科学问题。

基于Nafion质子膜的燃料电池型CO 传感器具有低功耗、本质安全、精度高、稳定性好和可在苛刻环境下工作等优点，是最重要的新一代气体传感器之一。为了能使基于Nafion质子膜的燃料电池型传感器满足在燃料电池汽车重整制氢系统和环境领域中对CO进行检测的应用要求，本项目从传感器结构设计，膜电极材料的制备工艺两个方面展开研究工作，提升了传感器的检测下限、灵敏度和响应速度等关键工艺。具体研究内容和取得的成果如下：首先，根据传感器的原理和Nafion膜的特点，利用Solidworks 2010软件建模，设计并制作的传感器外壳，通过储水罐的设计提升的传感器的稳定性和寿命。其次，研究了化学沉淀法、浸渍还原法和热压法制备Nafion基传感器膜电极过程中的关键工艺，最终确定了热压法为最佳的制备方法。在热压法制备膜电极的过程中，确定了乙二醇为最佳的分散剂，碳纤维为最佳的碳基担载材料。最后，研究了最佳工艺条件下，传感器的关键气敏性能，研制的传感器的主要性能指标为：检测浓度范围：0.1-500ppm；灵敏度：77mA / ppm；响应时间: 30ppmCO 90%的响应时间小于30秒；恢复时间: 30ppmCO 10%的恢复时间小于30秒，此外，传感器还具有良好的选择性、重复性、抗湿性和耐氧型，传感器的主要性能指标都满足计划书中的要求。在项目的完成过程中，共发表86篇SCI检索论文，申请国家发明专利4项，其中有2项已经获得授权。培养教授2人，副教授1人，培养博士研究生4人，硕士研究生6人。