基于NTC的催化燃烧型一氧化碳传感器.docVIP

基于负温度系数热敏电阻的催化燃烧型一氧化碳传感器 黄彩霞，高国强* （南京工业大学高技术研究院/材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 210009） 摘 要：介绍一种能检测0.0232 g/m3 CO的新型催化燃烧型传感器,这种传感器使用电阻温度系数高的负温度系数热敏电阻（NTCT）来代替传统的铂丝线圈。传统的催化燃烧型传感器只能检测百分浓度的可燃气体，而基于NTCT的催化燃烧型CO传感器可以检测到0.0232 g/m3的CO气体。当桥电压为9V时，传感器输出信号与CO浓度在0.0232~0.58 g/m3之间具有良好的线性关系。传感器对0.58 g/m3 CO的响应和恢复时间分别为50 s、120 s。还进一步探讨了传感器的选择性和长期稳定性，实验表明传感器对甲烷等气体具有较好的选择性，老化处理后的传感器，连续观察100天，对CO的响应强度无明显下降趋势。 关键词： 一氧化碳传感器；催化燃烧型；负温度系数热敏电阻；铂/四氧化三钴  引 言 一氧化碳是一种无色、无味、无臭、毒性极强的气体，因此在易于接触CO的环境里检测CO的浓度是非常必要的。检测CO浓度的传感器种类有很多，如半导体型的CO传感器[1-4]、电化学型CO传感器[5-6]、光纤型CO气体传感器[7-8]和催化燃烧型CO传感器[9-13]等。上述传感器中，催化燃烧传感器具有设计简单、成本低等优点，因而被广泛的研究。已报道的催化燃烧型CO传感器普遍存在灵敏度低、长期稳定性差并且只能检测较高浓度范围的CO，本文就是针对上述缺点对传感器进行改进。 近年来，大量研究表明Co3O4在低温氧化CO的反应中具有良好的催化活性，是最具潜力替代贵金属催化剂的材料之一。Co3O4材料多被用于半导体型CO传感器的制备，如用纳米棒状的Co3O4[3]、Co3O4-SnO2复合材料[4]等作为传感材料制得CO传感器，均显示较好的特性，而利用Co3O4作为催化燃烧型CO传感器的报道则相对较少。Tatsuo[10]等报道了用Co3O4负载Al2O3作为催化剂制备催化燃烧型CO传感器，他们发现当催化剂中掺入CuO时，可测定CO气体浓度的线性范围为500~50000 ppm；Matsumiya, M.[11]等使用Au/Co3O4作为催化材料，可以检测0.05~3%的CO气体，将催化剂改用Au/TiO2[12]，检测CO气体的浓度范围为0.025~1%；Co-Ce的氧化物作为热电式CO传感器的催化材料[13]，可检测0~3%的CO气体。 负温度系数的热敏电阻（NTCT）是指热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，具有较高的电阻温度系数，即温度发生很小的变化也会引起热敏电阻的阻值发生较大的改变。传统的催化燃烧型传感器的活性元件是用铂丝线圈外面涂覆催化剂制得的，本实验用代替铂丝线圈，并以Pt/Co3O4作为催化剂，制备一种新型的催化燃烧型CO传感器，。实验用NTCT的电阻-温度图如图1所示,图中曲线斜率为NTCT的电阻温度系数。 图1 NTCT的电阻值随温度的变化关系 Fig 1 Temperature dependence of the resistivity for NTCT 22.1 仪器与试剂数显式直流稳压电源（深圳市友福科技有限公司）：电源可调范围0~30V；场发射扫描电镜（日本日立,S-4800）；Labjack数据采集卡（美国Labjack，U12）负温度系数热敏电阻（深圳盛源芯电子有限公司）；7系列燃料电池型CO传感器 无锡高顿传感技术有限公司；R25 ℃）为2KΩ±2%, B25/50为3900K±1%，头部尺寸为1.65 mm；Co3O4（Aladdin，99.5%，25 nm）；纳米Pt（Aladdin，99.9%，200 nm）；PTFE（聚四氟乙烯，上海成顺物资有限公司）；超高纯水。 2.2称取质量比Pt与Co3O4，研磨使其混合均匀；用PTFE溶液（1:4 v/v）将催化剂Pt/Co3O4调成糊状，均匀地涂覆在NTCT的表面，PTFE溶液在使用前需超声震荡15 min；制好的催化珠室温下晾干后，230 ℃下煅烧30 min可制得活性元件。参比元件也用相同的方法制备，只需将Pt/Co3O4材料替换成对CO无催化活性的Al2O3即可。将制好的活性元件、参比元件安装在流动池中，连接到电路，交替地向流动池中通空气和CO，测量传感器对CO的响应情况。3　结果与讨论 3.1 讨论影响传感器灵敏度的因素 3.1.1 桥电压对传感器灵敏度的影响 催化燃烧型气体传感器的电路是一个简单的惠斯通电桥，信号输出端连接一个放大电路，将输出电压信号放大200倍，用数据采集系统采集输出信号。传感器响应信号定义为：传感器在CO气氛中的输出电压值与在空气中的输出电压值之差。直流稳压可调电源提供电路所需