Разработка и способ изготовления электродов для высокотемпературного сенсора кислорода

Александр Сергеевич Юрков; Илья Алексеевич Селиванов; Михаил Андреевич Плетнев

doi:10.22213/2413-1172-2024-2-106-113

Авторы

А. С. Юрков ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
И. А. Селиванов ООО «ЭРИС»
М. А. Плетнев ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2024-2-106-113

Ключевые слова:

электрохимический концентрационный элемент, подвижность ионов кислорода, электропроводность, высокотемпературный керамический датчик, электролит, диоксид циркония

Аннотация

Рассматривается применение диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, в качестве электролита для формирования высокотемпературного керамического датчика концентрации кислорода. Принципиальная возможность использования такого материала обусловлена высокой электропроводностью за счет подвижности ионов кислорода в вакансиях твердого электролита. Обсужден принцип работы такого датчика как электрохимического концентрационного элемента. Показано, что применение подобных датчиков актуально для различных отраслей промышленности, включая химическую, металлургическую, нефтегазовую, энергетическую и др. Рассмотрены варианты формирования электродов электрохимического датчика с использованием различных материалов и методов нанесения. Опробована методика формирования платинового покрытия химическим способом с использованием изопропилового спирта и последующим пиролизом. Экспериментально показано, что химический метод применим для формирования электродов электрохимического сенсора. Измерены электрические характеристики полученных покрытий. Определен оптимальный состав реакционной смеси и необходимое число слоев для создания устойчиво работающего датчика электрохимического сенсора. Исследована зависимость потенциала сформированного датчика электрохимического сенсора из стабилизированного оксида циркония от концентрации кислорода в широком температурном интервале. Показано, что при использовании схемы последовательных превращений гидролиз тетрахлорида платины - нанесение на подложку - восстановительный пиролиз можно получить качественное проводящее покрытие для формирования электродов газового сенсора. Подобран оптимальный состав реакционной смеси для формирования платиновых электродов. Определено оптимальное количество слоев для обеспечения необходимого уровня электропроводности электродов. Показано, что сформированный по разработанной схеме электрод может быть использован как высокотемпературный сенсор на кислород электрохимический элемент на основе диоксида циркония и платиновых электродов.

Биографии авторов

А. С. Юрков, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

аспирант

И. А. Селиванов, ООО «ЭРИС»

.

М. А. Плетнев, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и химических технологий

Библиографические ссылки

Горшков О. Н., Касаткин А. П. Оптические и электронные свойства стабилизированного диоксида циркония с металлическими нанокристаллами. Нижний Новгород: ННГУ, 2010. 41 с.

Agarkov D.A., Borik M.A., Chislov A.S., Komarov B.E., Kulebyakin A.V., Kuritsyna I.E., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.A., Tabachkova N.Yu. (2023) Solid electrolytes based on zirconium dioxide partially stabilized with oxides of yttrium, gadolinium and samarium. J Solid State Electrochem, https://doi.org/10.1007/s10008-023-05695-4

Взаимодействие платинохлористоводородной кислоты четыреххлористой платины с изопропиловым спиртом / В. И. Перевалова, Н. Б. Шитова, Л. Я. Альт, В. К. Дуплякин // Журнал общей химии. 1988. Т. 58, № 8. С. 1694-1697.

Пенцак Е. О., Анаников В. П. «Чистый» метод нанесения наночастиц платины на углеродный материал из раствора Pt2dba3 // Известия Академии наук. Серия химическая. 2014. № 11. С. 20560-2563.

Zirconia Oxygen Probe // OxyPink. [Электронный ресурс]. URL: https://oxypink.com/en/zirconia-oxygen-probe/

Керамические материалы на основе диоксида циркония / О. А. Жигачев, Ю. И. Головин, А. В. Умпихин, В. В. Коренков, А. И. Тюрин, В. В. Родаев, Т. А. Дьячек. М. : Техносфера, 2018. 358 с.

Эффекты поляризации и электронной проводимости ионных проводников на основе диоксида циркония / А. А. Осипов, К. Д. Иванов, Р. П. Садовничий, В. М. Шелеметьев // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2014. Вып. 2. С. 48-58.

Магнетронное формирование NIYSZ анодов твердооксидных топливных элементов / А. А. Соловьев, Н. С. Сочугов, И. В. Ионов, А. В. Шипилова, А. Н. Ковальчук // Электрохимия. 2014. Т. 50, № 7. С. 724-732. DOI: 10.7868/S0424857014070160

Капсульные твердоэлектролитные датчики для контроля кислорода в металлических расплавах и горючих газов в атмосфере / П. Н. Мартынов, М. Е. Чернов, В. М. Шелеметьев, А. Н. Стороженко, Р. П. Садовничий // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2007. № 1. С. 42-47.

Кравченко Е. И., Петров В. В., Варежников А. С. Разработка методики распознавания образцов газовых смесей с помощью мультисенсорной системы мониторинга // Инженерный вестник Дона. 2021. № 4/2.

Разработка технологии получения высокочувствительных сенсоров газов на основе оксида циркония для гибридных сенсорных систем / Д. В. Сергиенко, В. В. Петров, Т. Н. Мясоедова, А. И. Коробкова // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4/2.

Современное состояние разработок и перспективы создания датчиков термодинамической активности кислорода применительно к реакторным установкам с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем / Е. И. Чернов, М. Е. Чернов, В. И. Рачков, А. И. Орлов, Ю. М. Сысоев // Известия РАН. Энергетика. 2023. № 1. С. 18-34.

Karuppiah D., Komissarenko D., Yüzbasi N.S., Liu Y., Sasikumar P.V.W., Hadian A., Graule T., Clemens F., Blugan G. (2023) A Facile Two-Step Thermal Process for Producing a Dense, Phase-Pure, Cubic Ta-Doped Lithium Lanthanum Zirconium Oxide Electrolyte for Upscaling. Batteries, 9, 554. https://doi.org/10.3390/batteries9110554

Chłedowska (Ple’sniak) J., Wyrwa J., Rekas M., Brylewski T. (2002) Effects of Aluminum Oxide Addition on Electrical and Mechanical Properties of 3 mol% Yttria-Stabilized Tetragonal Zirconia Electrolyte for IT-SOFCs. Materials, 15, 2101. https://doi.org/10.3390/ma15062101

Singhal S.C., Kendall K. (2003) High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications. Elsevier, 429 p.

Balkanski M., Takahashi T., Tuller H.L. (1992) Solid State Ionics Amsterdam: Elsevier, 345 p.

Belous A.G., V’yunov O.I., Gunes V., Bohnke O. (2014) Ionic and Electronic Conductivities of Yttria. Inorganic Materials, vol. 50, no. 12, pp. 1237-1243. DOI: 10.1134/S0020168514120024

Заводинский А. А. О механизме ионной проводимости в стабилизированном диоксиде циркония // Физика твердого тела. 2004. Т. 46, № 3. С. 441-445.

Влияние стабилизирующих добавок на электропроводность керамики на основе ZrO2 / Ю. А. Митюшова, С. А. Красиков, А. А. Марков, Э. И. Денисова, В. В. Карташов // Бутлеровские сообщения. 2019. № 58 (5). С. 105-109. https://doi.org/10.37952/ROI-jbc-0119-58-5-105

Структура и транспортные характеристики монокристаллических и керамических твердых электролитов ZrO2-Y2O3 / Е. Е. Ломонова, Д. А. Агарков, М. А. Борик, Г. М. Кораблёва, А. В. Кулебякин, И. Е. Курицына, М. Н. Маякова, Ф. О. Милович, В. А. Мызина, Н. Ю. Табачкова, Е. И. Чернов // Электрохимия. 2022. Т. 58, № 2. С. 66-75. DOI: 10.31857/S0424857022020074