Разработка и способ изготовления электродов для высокотемпературного сенсора кислорода

A S Yurkov; I A Selivanov; M A Pletnev

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

Authors

A. S. Yurkov Kalashnikov ISTU
I. A. Selivanov ERIS LLC
M. A. Pletnev Kalashnikov ISTU

DOI:

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

Keywords:

electrochemical concentration element, mobility of oxygen ions, electrical conductivity, high-temperature ceramic sensor, electrolyte, zirconium dioxide

Abstract

The article discusses the use of zirconium dioxide stabilized with yttria as an electrolyte for the formation of a high-temperature ceramic oxygen concentration sensor. The fundamental possibility of using such a material is due to the high electrical conductivity caused by the mobility of oxygen ions in the vacancies of the solid electrolyte. The operating principle of such a sensor as an electrochemical concentration element is discussed. It has been shown that the use of such sensors is relevant for various industries (including chemical, metallurgical, oil and gas, energy and others). Options for forming electrodes of an electrochemical sensor using various materials and deposition methods are considered. A method for forming a platinum coating using a chemical method using isopropyl alcohol and subsequent pyrolysis was tested. It has been experimentally shown that the chemical method is applicable for the formation of electrodes of an electrochemical sensor. The electrical characteristics of the resulting coatings were measured. The optimal composition of the reaction mixture and the required number of layers to create a stable operating electrochemical sensor have been determined. The dependence of the potential of the formed electrochemical sensor from stabilized zirconium oxide on oxygen concentration in a wide temperature range has been studied. It has been shown that when using a scheme of sequential transformations, hydrolysis of platinum tetrachloride - deposition on a substrate - reductive pyrolysis, it is possible to obtain a high-quality conductive coating for the formation of gas sensor electrodes. The optimal composition of the reaction mixture for the formation of platinum electrodes has been selected. The optimal number of layers was determined to ensure the required level of electrical conductivity of the electrodes. It has been shown that an electrochemical element based on zirconium dioxide and platinum electrodes, formed according to the scheme developed in this work, can be used as a high-temperature oxygen sensor.

Author Biographies

A. S. Yurkov, Kalashnikov ISTU

Post-graduate

I. A. Selivanov, ERIS LLC

.

M. A. Pletnev, Kalashnikov ISTU

DSc in Chemistry, Professor

References

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