CN111505073A - 氨气传感器敏感材料及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及NH3传感器技术领域。本发明提供一种NH3传感器敏感材料及其制备方法，以及包含该敏感材料电势型NH3传感器及其制备方法。所述敏感材料为Mg(1‑x)CuxO(0<x<0.67)，其能选择性吸附NH3至三相界面处发生电化学催化氧化，因而以其作为敏感材料的传感器对NH3表现出极高的敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及氨气传感器技术领域，具体的，涉及一种氨气(NH3)传感器敏感材料及其制备方法，以及包含该敏感材料的电势型氨气传感器及其制备方法。
背景技术
柴油车发动机在稀薄燃烧工况下会产生有害的污染气体氮氧化合物NOx(NO2或NO)，为减少NOx的排放，在发动机尾气后处理中，采用尿素为选择催化还原剂的SCR系统被广泛使用。其原理是尿素被注入尾气管中受热分解成NH3与NOx反应生成无害的N2和H2O。为精确控制NH3含量，需要在尾气管中安装NH3传感器在线监测NH3浓度，并反馈电信号于控制系统。
在柴油车尾气后处理系统中，NH3传感器长期处于高温和多种气体共存的复杂环境，要求NH3传感器具有较高的敏感度、选择性及稳定性。基于YSZ固体电解质及氧化物陶瓷敏感材料的电势型NH3传感器具有高温稳定、敏感度高、选择性好等优点，具有极高的应用前景。其敏感机理是：在高温下YSZ具有O2-离子传导特性；参比电极三相界面处发生O2还原反应(1)生成O2-；同时氧化物陶瓷敏感材料选择吸附NH3至测量电极三相界面处，与通过YSZ传导至此的O2-发生氧化反应(2)；此时，参比电极与测量电极之间会有一个电势，根据非平衡能斯特公式，可以得到电势与NH3浓度的关系(3)，通过测量电势差即可测量气体中NH3的浓度。可见，NH3电势信号的大小与反应(2)有关，其关键就在于测量电极中敏感材料对NH3的选择吸附性和电化学催化活性，这取决于敏感材料的成分及微观结构如形貌、晶粒尺寸、孔隙等。
1/2O2+2e-→O2- (1)
2/3NH3+O2-→1/3N2+H2O+2e- (2)
为了提高此类NH3传感器的敏感度，国内外研究人员对多种敏感材料进行了研究，如中国专利：CN201410675433.7，CN201810752485.8，CN201610718419.X，CN201910024131.6等，但其普遍存在响应值小、敏感度低、选择性不高等问题。此外，中国专利CN201710939725.0中通过设计多腔室结构提高NH3传感器的抗干扰性，该NH3传感器结构复杂，工艺难度大，制造成本高。
因此，有必要开发一种具有高选择吸附性、高电化学催化活性的敏感材料来提高NH3传感器的响应值、敏感度及选择性，并设计结构简单、易于加工的NH3传感器，降低制造成本。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题中的之一，为此，本发明提供一种具有高选择吸附性、高电化学催化活性的敏感材料固溶镁氧化铜及其制备技术来提高NH3传感器的响应值、敏感度及选择性，并提供一种结构简单、易于加工的电势型NH3传感器及其制备工艺，以降低制造成本。
具体地，第一方面，本发明提供一种NH3传感器敏感材料，所述敏感材料为Mg(1-x)CuxO，0<x<0.67。所述敏感材料能选择性吸附NH3至三相界面处发生电化学催化氧化，因而，能够提高传感器对NH3的灵敏度。
根据本发明提供的一些实施方式，0<x≤0.2。
根据本发明提供的一些实施方式，0.2<x＜0.67。
第二方面，本发明提供上述NH3传感器敏感材料的制备方法，包括：
提供包含镁盐和铜盐的水溶液；
在搅拌下，向上述水溶液中加入碱进行共沉淀反应，得到反应混合物；
将上述反应混合物过滤、洗涤、干燥，然后煅烧，得到Mg(1-x)CuxO敏感材料。
根据本发明提供的一些实施方式，所述镁盐为Mg(NO3)2·6H2O、MgSO4·7H2O或MgCl2·6H2O。
根据本发明提供的一些实施方式，所述铜盐为Cu(NO3)2·3H2O、CuSO4·5H2O或CuCl2·2H2O。
根据本发明提供的一些实施方式，所述碱为10～30wt.％的碱液，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液或氨水。
根据本发明提供的一些实施方式，所述共沉淀反应的pH为8.0～11.0。
根据本发明提供的一些实施方式，所述共沉淀反应的温度为60～90℃，共沉淀反应时间为30～90min。
根据本发明提供的一些实施方式，所述干燥的温度为80～120℃，干燥时间为12～24h。
根据本发明提供的一些实施方式，所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧时间为12～24h。
第三方面，本发明提供包含由上述敏感材料形成的Mg(1-x)CuxO(0<x<0.67)敏感层的NH3传感器，优选电势型NH3传感器。
根据本发明提供的一些实施方式，所述电势型NH3传感包括：Mg(1-x)CuxO敏感层、集电极、参比电极、YSZ基片、绝缘层、加热器、加热器引线、保护层、电极引线；所述参比电极与所述集电极位于所述YSZ基片的上表面；所述Mg(1-x)CuxO敏感层覆盖于所述集电极表面形成测量电极，所述电极引线分别与所述参比电极和所述集电极连接，作为信号输出端；所述绝缘层覆盖于所述YSZ基片的下表面，所述加热器位于所述绝缘层表面，所述加热器引线与所述加热器连接，作为电源输入端；所述保护层覆盖在所述加热器表面。
根据本发明提供的一些实施方式，所述参比电极与所述集电极对称设置在所述YSZ基片的上表面。
根据本发明提供的一些实施方式，所述加热器位于所述绝缘层表面的中心位置。
根据本发明提供的一些实施方式，所述集电极具有网格状的表面。
根据本发明提供的一些实施方式，所述加热器为蛇形结构。
第四方面，本发明提供所述电势型NH3传感器的制备方法，包括：
S01，通过流延成型制备YSZ生片；
S02，YSZ生片上表面的一侧印刷参比电极及电极引线；
S03，YSZ生片上表面的另一侧印刷集电极及电极引线；
S04，YSZ生片下表面印刷绝缘层；
S05，绝缘层表面印刷加热器及加热器引线；
S06，加热器表面印刷保护层；
S07，脱脂烧结成YSZ陶瓷器件；
S08，集电极表面印刷Mg(1-x)CuxO敏感层，0<x<0.67；
S09，高温烧结成电势型NH3传感器。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S01包括：按质量百分比计，将40～50％YSZ(8％Y2O3稳定ZrO2)、40～50％乙醇、5～8％PVB，1～3％邻苯二甲酸二丁酯、1～2％三乙醇胺混合，球磨12～24h制成YSZ流延浆料，经流延成型制成YSZ生片，厚度为200～300μm。
根据本发明提供的一些实施方式，所述YSZ生片需要切割成一定尺寸的方片，例如切割成尺寸为10×10mm的方片。所述切割尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S02包括：选用Pt浆料，丝网印刷参比电极和电极引线于YSZ生片上表面的一侧，印刷厚度为5～15μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min。
据本发明提供的一些实施方式，参比电极尺寸为6×2mm，电极引线尺寸为2×1mm。所述参比电极和电极引线的尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S03包括：选用Pt浆料，丝网印刷集电极和电极引线于YSZ生片上表面的另一侧，印刷厚度为5～15μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min。
据本发明提供的一些实施方式，集电极尺寸为6×2mm，电极引线尺寸为2×1mm。所述集电极和电极引线的尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S04包括：按质量百分比计，将35～50％Al2O3、45～60％松油醇、3～5％乙基纤维素、1～2％司班80、1～3％邻苯二甲酸二丁酯混合，球磨12～24h制成Al2O3印刷浆料，丝网印刷于YSZ生片下表面，印刷厚度30～50μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min。
据本发明提供的一些实施方式，绝缘层尺寸为10×10mm。所述绝缘层尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S05包括：选用Pt浆料，丝网印刷加热器和加热器引线于绝缘层表面，印刷厚度10～20μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min。
据本发明提供的一些实施方式，所述加热器为蛇形加热器，所述蛇形线的宽度为0.1-1mm。
据本发明提供的一些实施方式，加热器尺寸为8×5mm，加热器引线尺寸为2×1mm。所述加热器和加热器引线尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S06包括：选用S04制备的Al2O3印刷浆料，丝网印刷于加热器表面，印刷厚度30～50μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min。
据本发明提供的一些实施方式，保护层尺寸为10×8mm。所述保护层尺寸可以根据实际应用需要调整。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S07包括：将经S06印刷好的YSZ生片放入高温炉中350～500℃保温2～8小时进行脱脂处理，在1350～1500℃保温1～4小时进行烧结，制成YSZ陶瓷器件。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S08包括：按质量百分比计，将30～50％Mg(1-x)CuxO、40～60％松油醇、3～5％乙基纤维素、1～2％司班80、1～3％邻苯二甲酸二丁酯混合，球磨6～12小时，得到Mg(1-x)CuxO印刷浆料；将该浆料丝网印刷于集电极表面并完全覆盖，印刷厚度20～30μm，然后50～70℃干燥5～15min，形成Mg(1-x)CuxO敏感层。
根据本发明提供的一些实施方式，所述S09包括：将印刷好Mg(1-x)CuxO敏感层的YSZ陶瓷器件放入高温炉中1000～1300℃保温1～4h进行烧结，制成电势型NH3传感器。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种新型的氨气传感器敏感材料Mg(1-x)CuxO，0<x<0.67，所述敏感材料对NH3具有高选择吸附性、高电化学催化活性，能选择性吸附NH3至三相界面处发生电化学催化氧化，因而NH3传感器表现出极高的敏感度。
(2)本发明通过改变Mg0.8Cu0.2O敏感材料烧结温度(1000～1300℃)，获得不同形貌、晶粒尺寸、孔隙的Mg0.8Cu0.2O敏感材料，从而提高以Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器的敏感度和选择性。。
(3)本发明以YSZ为固体电解质及Mg0.8Cu0.2O敏感材料制备电势型NH3传感器，具有较高的热稳定性和化学稳定性，适用于高温复杂尾气气氛中检测NH3；利用流延成型、丝网印刷、脱脂共烧结等工艺制备电势型NH3传感器，具有结构简单，工艺简单，生产成本低等特点，适合工业化批量生产。
附图说明
图1是本发明实施方式制备的Mg0.8Cu0.2O敏感材料的XRD图；
图2是本发明提供的电势型NH3传感器的结构图：(a)侧面图，(b)正面图，(c)背面图；
图2中，Mg(1-x)CuxO敏感层1，集电极2，参比电极3，YSZ基片4，绝缘层5，加热器6，加热器引线7，保护层8，电极引线9；
图3是本发明提供的电势型NH3传感器的制备工艺流程图；
图4是本发明实施例1-4制备的NH3传感器中的Mg0.8Cu0.2O敏感材料在不同温度下烧结的SEM图：(a)1000℃，(b)1100℃，(c)1200℃，(d)1300℃；
图5是本发明实施例1-5及对比例制备的NH3传感器对50～1000ppm NH3浓度响应对数曲线；以及
图6是本发明提供的Mg0.8Cu0.2O敏感材料在1200℃下烧结制备的电势型NH3传感器的选择性对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。术语“包含”或“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。
下面根据本发明的具体实施例，对Mg(1-x)CuxO明敏材料的制备方法、电势型氨气传感器及其制备方法进行详细描述。
(1)敏感材料固溶镁氧化铜(Mg(1-x)CuxO，0<x<0.67)的制备方法
根据本发明实施方式提供的固溶镁氧化铜的制备方法，包括：按照摩尔比(1-x)：x计算称量Mg(NO3)2·6H2O和Cu(NO3)2·3H2O，加入蒸馏水配制成浓度为10～30wt.％的溶液，搅拌混合均匀，得到包含镁盐和铜盐的水溶液；在磁力搅拌下，向该水溶液滴加浓度为10～30wt.％的NaOH溶液产生共沉淀，控制pH为8.0～11.0，在60～90℃恒温水浴下搅拌30～90min至沉淀完全，过滤所得滤饼用乙醇和蒸馏水各洗涤3～5次，再于烘箱中80～120℃干燥12～24h，然后在马弗炉空气气氛下600～800℃煅烧12～24h，最后研磨粉碎，得到Mg(1-x)CuxO粉料。
当0<x≤0.2时，敏感材料的物相由固溶体Mg(1-x)CuxO组成；当0.2<x<0.67时，敏感材料的物相由固溶体MgO和A型镁铜矿Cu2MgO3的混合物组成。上述两种组成的固溶镁氧化铜能选择性吸附NH3至三相界面处发生电化学催化氧化，赋予NH3传感器极高的敏感度，其中，以0<x≤0.2为优选。
当x≥0.67时，敏感材料的物相组成转变为B型镁铜矿Cu2MgO3和CuO的混合物，CuO在烧结过程中易发生液化并析出，导致晶粒急剧长大，材料微观结构发生显著改变，使得NH3传感器的NH3敏感度显著下降。
在一些实施方式中，x＝0.2，即所述敏感材料为Mg0.8Cu0.2O。
在一些实施方式中，x＝0.5，即所述敏感材料为Mg0.5Cu0.5O。
所述NaOH溶液为NaOH水溶液，其质量分数可列举：10wt.％、15wt.％、20wt.％、25wt.％、30wt.％，等等。
所述共沉淀反应的pH可列举：8、9、10、11，等等。
所述恒温水浴的温度(共沉淀反应的温度)可列举：60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，等等。
所述恒温水浴下的搅拌时间(共沉淀反应的时间)可列举：30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min，等等。
所述在烘箱中的干燥温度可列举：80℃、90℃、100℃、110℃、120℃，等等。
所述在烘箱中的干燥时间可列举：12h、15h、18h、20h、22h、24h，等等。
所述煅烧温度可列举：600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，等等。
所述煅烧时间可列举：12h、15h、18h、20h、22h、24h，等等。
(2)电势型NH3传感器及其制备方法
本发明所述电势型NH3传感器结构如图2中(a)-(c)所示，组成如下：
包括：Mg(1-x)CuxO敏感层1，集电极2，参比电极3，YSZ基片4，绝缘层5，加热器6，加热器引线7，保护层8，电极引线9；所述参比电极3与所述集电极2对称位于所述YSZ基片4的上表面；所述Mg(1-x)CuxO敏感层1覆盖于所述集电极2表面形成测量电极，所述电极引线9分别与所述参比电极3和所述集电极2连接，作为信号输出端；所述绝缘层5覆盖于所述YSZ基片4的下表面，所述加热器6位于所述绝缘层5表面并处于中心位置，所述加热器引线7与所述加热器6连接，作为电源输入端，所述保护层8覆盖在所述加热器6表面。
根据本发明提供的一些实施方式，所述集电极具有网格状的表面。
根据本发明提供的一些实施方式，所述加热器为蛇形结构。
所述电势型NH3传感器可按照本领域通用的制备工艺进行制备。优选地，本发明提供的电势型NH3传感器的制备工艺如图3所示，包括：
S01，通过流延成型制备YSZ生片：按质量百分比计，将40～50％YSZ(8％Y2O3稳定ZrO2)、40～50％乙醇、5～8％PVB，1～3％邻苯二甲酸二丁酯、1～2％三乙醇胺混合，球磨12～24h制成YSZ流延浆料，经流延成型制成YSZ生片，厚度为200～300μm；
S02，YSZ生片上表面的一侧印刷参比电极及电极引线：选用Pt浆料，丝网印刷参比电极和电极引线于YSZ生片上表面，印刷厚度为5～15μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min；
S03，YSZ生片上表面的另一侧印刷集电极及电极引线：选用Pt浆料，丝网印刷集电极和电极引线于YSZ生片上表面，印刷厚度为5～15μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min；
S04，YSZ生片下表面印刷绝缘层：按质量百分比计，将35～50％Al2O3、45～60％松油醇、3～5％乙基纤维素、1～2％司班80、1～3％邻苯二甲酸二丁酯混合，球磨12～24h制成Al2O3印刷浆料，丝网印刷于YSZ生片下表面，印刷厚度30～50μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min；
S05，绝缘层表面印刷加热器及加热器引线：选用Pt浆料，丝网印刷加热器和加热器引线于绝缘层表面，印刷厚度10～20μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min；
S06，加热器表面印刷保护层：选用S04制备的Al2O3印刷浆料，丝网印刷于加热器表面，印刷厚度30～50μm，烘箱中50～70℃干燥5～15min；
S07，脱脂烧结成YSZ陶瓷器件：将经S06印刷好的YSZ生片放入高温炉中350～500℃保温2～8h进行脱脂处理，在1350～1500℃保温1～4h进行烧结，制成YSZ陶瓷器件；
S08，集电极表面印刷Mg(1-x)CuxO(0<x<0.67)敏感层：按质量百分比计，将30～50％Mg(1-x)CuxO、40～60％松油醇、3～5％乙基纤维素、1～2％司班80、1～3％邻苯二甲酸二丁酯混合，球磨6～12h，得到Mg(1-x)CuxO印刷浆料；将该浆料丝网印刷于集电极表面并完全覆盖，印刷厚度20～30μm，然后50～70℃干燥5～15min，形成Mg(1-x)CuxO敏感层；
S09，高温烧结成电势型NH3传感器：将印刷好Mg(1-x)CuxO敏感层的YSZ陶瓷器件放入高温炉中1000～1300℃保温1～4h进行烧结，制成电势型NH3传感器。
S09中，所述烧结温度对敏感材料Mg(1-x)CuxO的微观结构有重要影响，从而影响传感器的性能，因此，可以通过优化烧结温度，提高NH3传感器的敏感度和选择性。
以Mg0.8Cu0.2O为例，根据MgO-CuO的二元相图，Mg0.8Cu0.2O在1126℃时出现液相，当高于此温度时，Mg0.8Cu0.2O出现烧结现象：晶粒连接成三维网络结构，并伴随着晶粒长大，孔隙增大，在不同温度(1000～1300℃)下烧结可以获得不同形貌、晶粒尺寸、孔隙的Mg0.8Cu0.2O敏感材料；因此，通过改变烧结温度来优化其微观结构，提高Mg0.8Cu0.2O敏感材料的选择吸附性和电化学催化活性，进而提高以Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器的敏感度和选择性。
所述烧结温度可列举：1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃、1300℃，等等
Mg(1-x)CuxO敏感层在不同温度(1000～1300℃)下烧结，可以获得不同微观结构的Mg(1-x)CuxO敏感层，其中Mg0.8Cu0.2O作为敏感材料，所述烧结温度优选1200℃。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
用共沉淀法制备Mg0.8Cu0.2O粉料，将Mg0.8Cu0.2O作敏感材料在1000℃烧结制备电势型NH3传感器，具体过程如下：
1.制备Mg0.8Cu0.2O粉料：
按照摩尔比4:1计算称量Mg(NO3)2·6H2O和Cu(NO3)2·3H2O，加入蒸馏水配制成浓度为30wt.％的溶液，搅拌混合均匀，得到包含镁盐和铜盐的水溶液；在磁力搅拌下，向所述水溶液滴加浓度为10wt.％的NaOH溶液产生共沉淀，控制pH为11.0，在60℃恒温水浴下搅拌30min至沉淀完全，过滤所得滤饼用乙醇和蒸馏水各洗涤3次，再于烘箱中80℃干燥12h，在马弗炉空气气氛下800℃煅烧12h，最后研磨粉碎，得到Mg0.8Cu0.2O粉料，即为Mg0.8Cu0.2O敏感材料。
如图3所示，制备的Mg0.8Cu0.2O敏感材料的XRD图谱与标准卡片JCPDS PDF#77-2183一致，为立方晶系Mg0.8Cu0.2O。
2.按图3工艺流程制备图3所示的电势型NH3传感器：
S01，通过流延成型制备YSZ生片：按质量百分比计，将YSZ(8％Y2O3稳定ZrO2)(50％)、乙醇(40％)、PVB(5％)、邻苯二甲酸二丁酯(3％)、三乙醇胺(2％)混合，球磨12h制成YSZ流延浆料，经流延成型制成YSZ生片，厚度为300μm，切割成尺寸为10×10mm的方片；
S02，YSZ生片上表面的一侧印刷参比电极及电极引线：选用Pt浆料，丝网印刷参比电极和电极引线于YSZ生片上表面的一侧，印刷厚度为5μm，参比电极尺寸为6×2mm，电极引线尺寸为2×1mm，烘箱中50℃干燥15min；
S03，YSZ生片上表面的另一侧印刷集电极及电极引线：选用Pt浆料，丝网印刷集电极和电极引线于YSZ生片上表面的另一侧，印刷厚度为5μm，集电极尺寸为6×2mm，电极引线尺寸为2×1mm，烘箱中50℃干燥15min；
S04，YSZ生片下表面印刷绝缘层：按质量百分比计，将Al2O3(35％)、松油醇(55％)、乙基纤维素(5％)、司班80(2％)、邻苯二甲酸二丁酯(3％)混合，球磨12h制成Al2O3印刷浆料，丝网印刷于YSZ生片下表面，印刷厚度30μm，绝缘层尺寸为10×10mm，烘箱中50℃干燥15min；
S05，绝缘层表面印刷加热器及加热器引线：选用Pt浆料，丝网印刷加热器和加热器引线于绝缘层表面，印刷厚度10μm，加热器尺寸为8×5mm，所述加热器采用蛇形结构，蛇形线的宽度为0.5mm，加热器引线尺寸为2×1mm，烘箱中50℃干燥15min；
S06，加热器表面印刷保护层：选用S04制备的Al2O3印刷浆料，丝网印刷于加热器表面，印刷厚度30μm，保护层尺寸为10×8mm，烘箱中50℃干燥15min；
S07，脱脂烧结成YSZ陶瓷器件：印刷好的YSZ生片放入高温炉中350℃保温2h进行脱脂处理，在1500℃保温1h进行烧结，制成YSZ陶瓷器件；
S08，集电极表面印刷Mg0.8Cu0.2O敏感层：按质量百分比计，将制得的Mg0.8Cu0.2O粉料(30％)、松油醇(60％)、乙基纤维素(5％)、司班80(2％)、邻苯二甲酸二丁酯(3％)混合后球磨6h，得到Mg0.8Cu0.2O印刷浆料，将该浆料丝网印刷于集电极表面并完全覆盖，印刷厚度20μm，Mg0.8Cu0.2O敏感层尺寸为7×3mm，烘箱中50℃干燥15min；
步S09，高温烧结成NH3传感器：将印刷好Mg0.8Cu0.2O敏感层的YSZ陶瓷器件放入高温炉中1000℃保温1h进行烧结，制成NH3传感器。
实施例2：
用共沉淀法制备Mg0.8Cu0.2O粉料，将Mg0.8Cu0.2O作敏感材料在1100℃烧结制备电势型NH3传感器，具体制备过程同实施例1。
实施例3：
用共沉淀法制备Mg0.8Cu0.2O粉料，将Mg0.8Cu0.2O作敏感材料在1200℃烧结制备电势型NH3传感器，具体制备过程同实施例1。
实施例4：
用共沉淀法制备Mg0.8Cu0.2O粉料，将Mg0.8Cu0.2O作敏感材料在1300℃烧结制备电势型NH3传感器，具体制备过程同实施例1。
实施例5：
用共沉淀法制备Mg0.5Cu0.5O粉料，将Mg0.5Cu0.5O作敏感材料在1200℃烧结制备电势型NH3传感器，具体制备过程同实施例1。
对比例：
用共沉淀法制备Mg0.33Cu0.67O粉料，将Mg0.33Cu0.67O作敏感材料在1200℃烧结制备电势型NH3传感器，具体制备过程同实施例1。
性能测试：
将实施例1-4制备的在不同温度(1000℃、1100℃、1200℃、1300℃)下烧结制成的NH3传感器中的Mg0.8Cu0.2O敏感材料进行SEM测试，结果如图4所示。随着烧结温度的升高，Mg0.8Cu0.2O敏感材料的颗粒尺寸逐渐增大，网孔尺寸和连续性也发生变化，说明改变Mg0.8Cu0.2O敏感材料的烧结温度可以改变敏感层的微观形貌，合适的颗粒尺寸和连续的网孔有利于气体的吸附和扩散，因此，通过改变烧结温度来优化微观结构，提高Mg0.8Cu0.2O敏感材料的选择吸附性和电化学催化活性，进而提高以Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器的敏感度和选择性。
测试Mg0.8Cu0.2O、Mg0.5Cu0.5O和Mg0.33Cu0.67O作敏感材料的电势型NH3传感器气体响应，具体过程如下：
(1)NH3传感器敏感度测试：
将NH3传感器焊接引线，封装，置于模拟汽车尾气气氛中，在550℃下测试对50、100、200、400、800、1000ppm NH3的响应，测试结果如表1所示，以Mg0.8Cu0.2O为敏感材料在四个不同烧结温度制备的NH3传感器分别在50、100、200、400、800、1000ppm NH3浓度范围内都具有较高的响应度，其中1200℃烧结的以Mg0.8Cu0.2O为敏感材料的NH3传感器响应值最大。
如表1及图5所示，以Mg0.8Cu0.2O为敏感材料在四个不同烧结温度制备的NH3传感器，分别在50、100、200、400、800、1000ppm NH3浓度的电势响应ΔV和NH3浓度的对数拟合表现出极佳的线性关系，其斜率定义为NH3敏感度，其中，1000℃烧结的敏感度为126.0mV/decade，1100℃烧结的敏感度为200.4mV/decade，1200℃烧结的敏感度为215.2mV/decade，1300℃烧结的敏感度为178.0mV/decade，由此可见，1200℃烧结的以Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器具有最高的敏感度。
如表1及图5所示，以Mg0.5Cu0.5O及Mg0.33Cu0.67O作敏感材料的电势型NH3传感器分别在50、100、200、400、800、1000ppm NH3浓度的电势响应ΔV和NH3浓度的对数拟合表现出极佳的线性关系，其敏感度分别为155.7mV/decade，89.8mV/decade，其中，以Mg0.5Cu0.5O作敏感材料的电势型NH3传感器的电势响应ΔV和敏感度在Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器的性能范围内，具有较好的NH3敏感性；但是Mg0.33Cu0.67O作敏感材料的电势型NH3传感器的电势响应ΔV和敏感度均低于Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的电势型NH3传感器。
(2)NH3传感器选择性测试：
将以1200℃烧结的Mg0.8Cu0.2O敏感材料的NH3传感器焊接引线，封装，置于模拟汽车尾气气氛中，在550℃下测试对100ppm不同气体(H2、C3H8、CH4、CO、NH3、NO2、NO)的响应。如表2及图6所示，NH3传感器对100ppm不同气体(H2、C3H8、CH4、CO、NH3、NO2、NO)的响应值分别为2mV，7mV，1.8mV，18mV，172mV，-25mV，-5mV，其中NH3传感器对100ppm NH3具有最高的响应，对其他气体响应均较低，说明以Mg0.8Cu0.2O作敏感材料的NH3传感器具有较好的选择性。
表1
表2
| 气体种类 | H<sub>2</sub> | C<sub>3</sub>H<sub>8</sub> | CH<sub>4</sub> | CO | NH<sub>3</sub> | NO<sub>2</sub> | NO |
| 响应值ΔV(mV) | 2 | 7 | 1.8 | 18 | 172 | -25 | -5 |
在本说明书的描述中，参考术语“一些实施方式”、“另一些实施方式”、“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方案以及实施例，可以理解的是，上述实施方案、实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方案、实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (13)
1.一种NH3传感器敏感材料，其特征在于，所述敏感材料为Mg(1-x)CuxO，0<x<0.67。
2.根据权利要求1所述的NH3传感器敏感材料，其特征在于，0<x≤0.2。
3.根据权利要求1所述的NH3传感器敏感材料，其特征在于，0.2<x＜0.67。
4.权利要求1-3任一项所述的NH3传感器敏感材料的制备方法，其特征在于，包括：
提供包含镁盐和铜盐的水溶液；
在搅拌下，向上述水溶液中加入碱进行共沉淀反应，得到反应混合物；
将上述反应混合物过滤、洗涤、干燥，然后煅烧，得到Mg(1-x)CuxO敏感材料。
5.根据权利要求4所述的NH3传感器敏感材料的制备方法，其特征在于，所述碱为10～30wt.％的碱液，所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液或氨水；和/或，所述沉淀反应的pH为8.0～11.0；和/或，所述沉淀反应的温度为60～90℃，沉淀反应时间为30～90min。
6.根据权利要求4所述的NH3传感器敏感材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80～120℃，干燥时间为12～24h。
7.根据权利要求4所述的NH3传感器敏感材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧时间为12～24h。
8.一种NH3传感器，其特征在于，包括由权利要求1-3任一项所述NH3传感器敏感材料形成的Mg(1-x)CuxO敏感层。
9.一种电势型NH3传感器，其特征在于，包括由权利要求1-3任一项所述NH3传感器敏感材料形成的Mg(1-x)CuxO敏感层。
10.根据权利要求9所述的电势型NH3传感器，其特征在于，包括Mg(1-x)CuxO敏感层、集电极、参比电极、YSZ基片、绝缘层、加热器、加热器引线、保护层、电极引线；所述参比电极与所述集电极位于所述YSZ基片的上表面；所述Mg(1-x)CuxO敏感层覆盖于所述集电极表面形成测量电极，所述电极引线分别与所述参比电极和所述集电极连接，作为信号输出端；所述绝缘层覆盖于所述YSZ基片的下表面，所述加热器位于所述绝缘层表面，所述加热器引线与所述加热器连接，作为电源输入端；所述保护层覆盖在所述加热器表面。
11.一种电势型NH3传感器的制备方法，其特征在于，包括：
S01，通过流延成型制备YSZ生片；
S02，YSZ生片上表面的一侧印刷参比电极及电极引线；
S03，YSZ生片上表面的另一侧印刷集电极及电极引线；
S04，YSZ生片下表面印刷绝缘层；
S05，绝缘层表面印刷加热器及加热器引线；
S06，加热器表面印刷保护层；
S07，脱脂烧结成YSZ陶瓷器件；
S08，集电极表面印刷Mg(1-x)CuxO敏感层，0<x<0.67；
S09，高温烧结成电势型NH3传感器。
12.根据权利要求11所述的电势型NH3传感器的制备方法，其特征在于，所述S08包括：按质量百分比计，将30～50％Mg(1-x)CuxO、40～60％松油醇、3～5％乙基纤维素、1～2％司班80、1～3％邻苯二甲酸二丁酯混合，球磨6～12h，得到Mg(1-x)CuxO印刷浆料；将该浆料丝网印刷于集电极表面并完全覆盖，印刷厚度20～30μm，然后在50～70℃干燥5～15min。
13.根据权利要求11所述的电势型NH3传感器的制备方法，其特征在于，所述S09包括：将印刷好Mg(1-x)CuxO敏感层的YSZ陶瓷器件放入高温炉中1000～1300℃保温1～4h进行烧结，制成电势型NH3传感器。
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-
2020
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