CHƯƠNG II : THỰC NGHIỆM
3.4. Cơ chế nhạy khí của cảm biến
Nhìn chung, cảm biến điện hóa YSZ sử dụng các điện cực oxit kim loại có thể làm việc theo cơ chế cảm biến khí như đã được đưa ra trong các tài liệu [83,101,164,169].
Khi trong môi trường với hỗn hợp khí oxy hóa/khử, các phản ứng điện hóa đóng vai trò chính tới hoạt động của cảm biến YSZ này.
Các phản ứng điện hóa này có thể xảy ra đồng thời ở cả hai điện cực của cảm biến YSZ (điện cực Pt và điện oxit kim loại) theo các phương trình điển hình như sau:
Với khí O2: O2 + 4e- ↔ 2O2- (3.1)
Với khí NO2: NO2 + 2e- ↔ NO + O2- (3.2)
Với khí CO: CO + O2- ↔ CO2 + 2e- (3.3) Với khí HC: 2HC + 5O2-↔ H2O + 2CO2 + 2e- (3.4)
Những thay đổi của ion (O2-) và điện tử (e-) tạo ra các thế điện hóa tại cực so sánh Pt và cực oxit kim loại của cảm biến. Sự khác nhau về hoạt tính xúc tác tại các điện cực của cảm biến/YSZ với khí oxy hóa/ khử các khí làm thay đổi điện thế ra của cảm biến.
Đáng chú ý, các phản ứng hóa học xảy ra theo các phương trình từ 3.2 đên 3.4 thường ưu tiên xảy ra tại điện cực oxit kim loại dẫn tới sự chi phối các điện thế ra của cảm biến. Các phản ứng xúc tác khác của pha khí oxy hóa/khử với điện cực oxit kim cũng có thể ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến YSZ.
Cơ chế cảm biến cơ bản của một loại cảm biến điện hóa có thế được giải thích bằng việc sử dụng một cảm biến khí NO2 sử dụng YSZ là một ví dụ đơn giản.
Chúng ta xét một loại cảm biến thế hỗn hợp dùng YSZ có cực cảm biến tiếp xúc với khí đo, còn cực so sánh đặt ngoài không khí. Khi cực cảm biến SE tiếp xúc với không khí thì phản ứng điện hóa (3.1) của O2 là cân bằng tại bề mặt tiếp xúc SE/YSZ. Trong trường hợp này, thế của điện cực SE được xác định bởi phản ứng cân bằng trạng thái (3.1) trong không khí và thế ∆V giữa SE và RE đưa ra đường chuẩn của tín hiệu cảm biến.
Trường hợp khác khi khí mẫu (trường hợp này là NO2) được pha loãng với không khí rồi thổi qua cực SE có một hiện tượng khác xảy ra. Thế hỗn hợp sinh ra khi điều kiện trạng thái ổn định đạt được bởi hai phản ứng điện hóa: phản ứng (3.2) của NO2 tại anot và phản ứng (3.1) của O2 tại catot trên bề mặt tiếp xúc SE/YSZ.
Tương tự khi cực so sánh RE tiếp xúc với không khí có một cân bằng phản ứng của O2 xảy ra tại mặt tiếp xúc RE/YSZ cũng sinh ra một thế. Sau đó, thế ∆V (chênh lệch thế giữa RE và SE) cho một tín hiệu của cảm biến. Tuy nhiên, trước khi tới được bề mặt SE/YSZ một vài phần trăm của khí đo khuếch tán qua lớp SE sẽ bị oxy hóa trong lớp SE.
cảm biến loại thế hỗn hợp có thể xác định bởi sự cân bằng của 3 hoạt động xúc tác của vật liệu làm điện cực cảm biến SE hướng tới phản ứng của NO2 tại anot (3.2), phản ứng của O2 tại catot (3.1) và phản ứng pha khí của NO2. Do đó các hoạt động xúc tác sẽ phần lớn được quyết định bởi các tính chất vật lý / hóa học của vật liệu làm điện cực SE, thành phần điện cực SE, quy trình tổng hợp và điều kiện hoạt động của cảm biến. Độ nhạy khí của loại cảm biến thế hỗn hợp cũng có thể được xác định bởi các yếu tố nêu trên.
Trong chương này một cách tổng quát về sự thay đổi của nhiệt độ nung ủ cảm biến ảnh hưởng lớn tới vi cấu trúc, độ xốp, hình thái, kích thước hạt, các hoạt động xúc tác khí, phản ứng điện hóa cũng như các phản ứng phân hủy pha khí của NO2. Những thay đổi này sẽ làm thay đổi độ nhạy và độ chọn lọc với khí NO2của hệ cảm biến Pt/YSZ/LaFeO3.
Hình 3.14: Mô hình thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ ủ tới tương tác khí NO2 của cảm biến YSZ sử dụng điện cực oxit kim loại.
Hình 3.14 là mô hình họa về ảnh hưởng của nhiệt độ ủ tới tương tác khí NO2 của cảm biến YSZ sử dụng điện cực oxit kim loại LaFeO3. Ở đó, khi nhiệt độ ủ thấp, điện cực oxit có độ xốp cao, hoạt tính xúc tác dị thể mạnh do đó chỉ một phần khí NO2thực hiện được phản ứng điện hóa tại vùng chuyển tiếp YSZ/oxit kim loại còn một phần thì bị biến đổi (hay phân hủy) trên bề mặt điện cực, theo như các phương trình (1)
và(2) trên Hình 3.14a.
Tuy vậy, khi nung ủ ở nhiệt độ cao, khí NO2 chiếm ưu thế cho phản ứng điện hóa do khí sẽ thuận tiện cho việc khuếch tán đến biên của tiếp xúc YSZ/oxit kim loại (Hình 3.14b). Đây chính là cơ sở để lý giải về các tính chất đáp ứng với khí NO2của hệ cảm biến Pt/YSZ/LaFeO3