傳統(tǒng)氧化鋯原理

氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的氧濃度差電池來測(cè)氧的傳敢器。它是本世紀(jì)6O年代才興起的。屬于固體離子學(xué)中一個(gè)重要應(yīng)用方面．這類氧傳感器已在國內(nèi)外廣泛用于工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果；廣泛用于汽車尾氣測(cè)量，明顯地改善了城市環(huán)境污染；廣泛用于鋼液測(cè)氧，大大提高了鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量；廣泛用于惰性氣體中測(cè)氧，其靈敏度和測(cè)氧范圍非其它氧量計(jì)可比。本文從理論分折和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面闡述了上述問題。氧化鋯傳感器的主要應(yīng)用可歸納為以下五個(gè)方面：
1.煙氣測(cè)氧：主要用于發(fā)電廠、煉油廠、鋼鐵廠、化工廠、輕紡印染廠、食品加工廠、等企業(yè)。
2.汽車尾氣測(cè)量：目前主要用于載人的小汽車和轎車等。
3.鋼液測(cè)氧：主要用于鋼鐵公司和煉銅廠等冶煉企業(yè)。
4.惰性氣體測(cè)氧：主要用于鋼鐵公司、空分廠、化肥廠和電子企業(yè)等。
5.物化研究：主要用于高溫氧化還原反應(yīng)中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定。
      我國從1975年起也迅速開展了這一應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。中國原子能科學(xué)研究院、北京鋼鐵學(xué)院和中國科學(xué)院t海硅酸鹽研究所等單位均在不同應(yīng)用方面取得了重要成果。其中中國原子能科學(xué)研究院研制成功了煙氣鍘氧傳感器和惰絲氣體鍘氧傳感器，北京鋼鐵學(xué)院研制成功了鋼液定氧傳感均達(dá)到或接近國外水平，并在我國得到了推廣應(yīng)用。        

氧化鋯傳感器的測(cè)量原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
氧化鋯傳感器的核心構(gòu)件是氧化鋯固體電解質(zhì)，氧化鋯固體電解質(zhì)是由多元氧化物組成的。常用的這類電解質(zhì)有ZrO₂·Y₂O₃，它由二元氧化物組成，其中，ZrO₂稱為基體，Y₂O₃稱為穩(wěn)定劑。ZrO₂在常溫下是單斜晶體，在高溫下它變成立方晶體(螢石型)，但當(dāng)它冷卻后又變?yōu)閱涡本w，因此純氧化鋯的晶型是不穩(wěn)定的。所以當(dāng)在ZrO₂中摻人一定量的穩(wěn)定劑Y₂O₃時(shí)，由于Y³⁺置換了Zr⁴⁺的位置，一方面在晶體中留下了氧離子空穴，另一方面由于晶體內(nèi)部應(yīng)力變化的原因，該晶體冷卻后仍保留立方晶體，因此又稱它為穩(wěn)定氧化鋯。據(jù)上分析，穩(wěn)定氧化鋯在高溫下(650℃以上)是氧離子的良好導(dǎo)體。
典型的氧化鋯傳感器是 
              Pt,P''_O2│ZrO₂·Y₂O₃│P'_O2,Pt
在上述電池中，Pt表示兩個(gè)鉑電極，它是涂制在氧化鋯電解質(zhì)的兩邊，兩種氧分壓為P''_O2和P'_O2的氣體分別通過電解質(zhì)的兩邊。作為氧傳感器，其中P''_O2是參比氣，例如通人空氣(20.6%O₂)，P'_O2是待測(cè)氣，例如通入煙氣。在高溫下，由于氧化鋯電解質(zhì)是良好的氧離子導(dǎo)體，上述電池便是一個(gè)典型的氧濃差電池。 
      在高溫下（650---850℃），氧就會(huì)從分壓大的P''_O2一側(cè)向分壓小的P'_O2側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散，不是氧分子透過氧化鋯從P''_O2側(cè)到P'_O2側(cè)，而是氧分子離解成氧離子后，通過氧化鋯的過程。在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P''_O2側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子，變成兩個(gè)氧離子(O^2-)進(jìn)入電解質(zhì)，即： 
                     O₂（P''_O2）+4e→2O^2- 
P''_O2側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過晶體中的空穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的P'_O2側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出，即： 
                     2O^2-－4e→O₂（P'_O2）
P'_O2側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩個(gè)電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢(shì)，稱之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過。
其池電勢(shì)由能斯特方程給出：
              E=RT/4F×ln(P''_O2/P'_O2) 
式中R為氣體常數(shù)，T為電池的熱力學(xué)溫度(K)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)．(1)式是在理想狀態(tài)下導(dǎo)出的， 必須具有四個(gè)條件：(1)兩邊的氣體均為理想氣體；(2)整個(gè)電池處于恒溫恒壓系統(tǒng)中；(3)濃差電池是可逆的；(4)電池中不存在任何附加電勢(shì)。因此稱(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見由于參比氣氧含量P''_O2是已知的，因此測(cè)得E值后便可求得待測(cè)氣體氧含量P'_O2值。 
當(dāng)電池工作溫度固定于700℃時(shí)，上式為： 
                     E=48.26lg(P''_O2/P'_O2) 
由上式，在溫度700℃時(shí)，當(dāng)固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓為空氣(20.6%) 時(shí)，由濃差電池輸出電動(dòng)勢(shì)E，就可以計(jì)算出固體電介質(zhì)另一側(cè)氧分壓，這就是氧化鋯氧量分析儀的測(cè)氧原理。