CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE
1.3. Cảm biến khí điện hóa dựa trên chất điện ly rắn
1.3.1. Cảm biến tín hiệu ra dạng thế theo phương trình Nernst
Cùng với sự phát triển nền sản xuất công nghiệp, nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường càng trở nên cấp bách được quan tâm nghiên cứu và triển khai trên toàn cầu. Năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch hiện vẫn chiếm vai trò lớn trong các ngành công nghiệp. Ví dụ, các nhà máy nhiệt điện, xi măng, gạch men, gốm sứ, thủy tinh, sắt thép, v.v…, thường sử dụng than đá, khí đốt trong quá trình sản xuất.
Ở đây, vấn đề được quan tâm là điều khiển nồng độ oxy trong quá trình cháy, nếu thừa oxy sẽ sinh ra phẩm khí rất độc hại như là NO và NO2 (do phản ứng ở nhiệt độ cao: N2 + O2 → NOx); nếu thiếu O2 thì nhiên liệu sử dụng không cháy hết và phát thải ra khí độc CO.
Để giải quyết vấn đề này trong thực tế, cảm biến Lambda trên cơ sở chất điện ly (dẫn ion) oxit kim loại đã được sử dụng từ rất lâu để đo đạc nồng độ O2
trực tiếp trong quá trình đốt nhiên liệu từ đó phản hồi để khống chế và điều khiển lượng nhiên liệu và nguồn khí O2 đầu vào cho tối ưu quá trình đốt cháy.
Tên cảm biến Lambda bắt nguồn từ đường đặc trưng tín hiệu ra phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ oxy/nhiên liệu giống như ký tự “λ” trong toán học.
Thực tế, chất điện ly YSZ (YSZ là viết tắt từ tiếng Anh “Yttria Stabilized Zirconia” hay chính là oxit ZrO2 pha tạp Y2O3) được quan tâm nghiên cứu và phát triển ứng dụng nhiều trong cảm biến điện hóa hoạt động ở nhiệt độ cao do đây là vật liệu thể hiện cơ tính tốt, tính ổn định cao, khả năng dẫn ion oxy tốt ở nhiệt độ khoảng trên 300oC [168].
Cảm biến điện hóa Lambda có tính ưu việt đó là khả năng hoạt động trực tiếp trong môi trường nhiệt độ cao đến cả nghìn độ oC. Đặc biệt về tính năng ứng
dụng, cảm biến loại này có tuổi thọ và độ ổn định rất cao lên đến 10 năm [120,150]. Chúng ta có thể nói cảm biến Lambda hiện là loại linh kiện duy nhất có thể hoạt động trực tiếp trong buồng đốt cháy nhiên liệu với mục đích phân tích, khống chế và điều khiển nồng độ khí cho quá trình cháy tối ưu.
Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của cảm biến Lambda đo khí oxy dựa trên chất điện ly rắn ZrO2 [120].
Cấu tạo:Cảm biến Lambda có cấu tạo khá đơn giản chỉ gồm lớp dẫn ion (thường sử dụng là YSZ), hai điện cực Pt (một điện cực trong môi trường cần xác định nồng độ khí oxy và một trong môi trường khí chuẩn, ví dụ như không khí). Hình 1.5 minh họa cấu trúc nguyên lý hoạt động của cảm biến Lambda được ứng dụng nhiều cho phân tích nồng độ khí oxy và điều khiển quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Cơ chế hoạt động: Khi hoạt động ở nhiệt độ cao, khí oxy từ môi trường có nồng độ cao sẽ nhận điện tử để phân ly thành các ion O2- tại vùng chuyển tiếp của điện cực (Pt) và chất dẫn ion (YSZ). Các ion O2- này sẽ khuếch tán qua lớp dẫn ion đến vùng chuyển tiếp của điện cực (Pt) và chất dẫn ion (YSZ) bên phía môi
trường có nồng độ oxy thấp và trả lại điện tử để chuyển thành oxy phân tử (như minh họa trên hình 1.5). Khi các quá trình điện hóa trên cân bằng tại hai điện cực Pt của cảm biến sẽ hình thành hiệu điện thế Ecó dạng lý tưởng theo phương trình Nernst [169]: 2 2 ( as) ln 2 ( ) O i O P g RT E t nF P reference = (6)
Ở đó, tilà số ion oxy trung bình dịch chuyển qua lớp điện ly, Rlà hằng số khí, F là hằng số Faraday, n là số điện tử tham gia vào quá trình điện hóa, “
2( as)
O
P g ” là áp xuất khí oxy (hay nồng độ khí oxy) trong môi trường cần xác định, và “PO2(reference)” là áp xuất khí oxy trong môi trường khí chuẩn (đã có nồng độ khí oxy xác định).
Từ phương trình (6) cho ta thấy điện thế đáp ứng của cảm biến không liên quan đến các tham số như cấu trúc điện cực, cấu trúc lớp dẫn ion hay cấu trúc cảm biến. Vì vậy, đây là nguyên nhân cảm biến loại này trong thực tế thể hiện độ ổn định và tuổi thọ rất cao.