بررسي تاثير افزودني اكسيد سريم و اكسيد نيكل به زيركونياي پايدار شده با ايتريا بهعنوان حسگر گازي

زهرا ابوالقاسمي1*، مرتضي تميزي فر2، كاوه ارزاني3، علي نعمتي4، ارسيا خانفكر5
كارشناس ارشد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي و علم مواد، دانشگاه صنعتي شريف، تهران، ايران
دانشجوي دكترا، دانشكده مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
* [email protected]
(تاريخ دريافت: 15/05/91، تاريخ پذيرش: 02/10/91)

چكيده
لابههاي ضخيم Ce-YSZ و Ni-YSZ توسط روش چاپ سيلك تهيه شده و حساسيت حسگرهاي YSZ نسبت به گاز اتـانول در اثـر افـزودن10 درصد مول اكسيد سريم و 5/1 درصد مول اكسيد نيكل (استفاده از پيشمادههاي نيترات سريم و نيترات نيكـل ) بـه عنـوان دوپنـت مـوردبررسي قرار گرفته است. با برقراري اتصال الكتريكي به كمك چسب نقره و استفاده از يك هيتر الكتريكي، بخش حساسه الكتريكي سـاختهشد. تغيير هدايت الكتريكي در حضور هوا ثبت و سپس حساسيت نمونهها در حضور مقادير مختلف گـاز هـدف و هـوا مـورد بررسـي قـرارگرفت. نتايج نشان ميدهد كه افزودن سريا نسبت به اكسيد نيكـل حساسـيت بهتـري را سـبب مـيشـود . هـم چنـين دمـاي كـاري پـائينتـر وحساسيت در دماي پائينتر از ديگر مزاياي استفاده از سريا بهعنوان دوپنت است.

واژههاي كليدي:
چاپ سيلك، اكسيد نيكل، اكسيد سريم، گاز اتانول، حسگر

1- مقدمه
جذب سطحي اكسيژن هدايت مواد نيمه هادي نوع p را بـه علـتافزايش غلظت حفرات افزايش ميدهد، كه حاملهاي اصلي بـارميباشند. بعلاوه، مقاومت آنها با اعمـال گازهـاي احيـايي ماننـداتانول افزايش مييابد [1]. بهدليل آلودگي هوا توسـط تركيبـاتآلي فرار (VOCs)، غلظـت آن هـا در هـوا بايـد بـه ميـزان زيـاديك اهش ياب د. درمي ان روشه اي مختل ف اس تفاده ش ده ب راي تشخيص اين گازهـاي مضـر، سنسـورهاي حالـت جامـد بـهدليـلانــدازه كوچــك و ســهولت در اســتفاده، مطلــوب مــيباشــند.
سنسورهاي الكتروشيميايي بر پايـه زيركونيـا كـه بـراي تشـخيصCO ،NOx و هيدروكربنها مناسب ميباشند، براي اين منظور در نظر گرفته ميشـوند . ايـن نـوع سنسـورهاي پتانسـيومتريك بـرايتشخيص تركيبـات آلـي فـرار (ماننـد : اسـيد اسـتيك، متيـل اتيـلكتــون، اتــانول، بنــزن، تولــوئن) در حــد ppm در رنــج دمــايي 500-400 درجه سانتيگراد به كار ميرونـد [2]. از عوامـل مـؤثردر اف زايش ي ا ك اهش حساس يت م يت وان ب ه اف زودن دوپن ت، كاهش و يا افـزايش انـدازه اشـاره كـرد[3]. در برخـي مطالعـاتنشان داده شده است كه در اثـر افـزودنNi بـه عنـوان دوپنـت بـهساختار YSZ، هدايت كاهش يافته است زيرا در طي سـاخت دردماي بالا، Ni داخل الكتروليت YSZ حل ميشود و هدايت فيلم YSZ را كاهش ميدهد [4-5]. در ساختار Ce-YSZ بـا افـزايشمقدار Ce، هدايت يـوني كـاهش مـييابـد . طبـق معادلـه 1 پـيشفاكتور نمايي (oσ) كه بازتابي از غلظت حاملهاي بار مـي باشـد تقريبا ثابت است به عبارت ديگر، انرژي فعالسـازي كـه مـنعكسكننده تحرك ميباشد با مقدار Ce افزايش مييابد [6].

σ= σ0/T exp (-Ea/KT) (1)

كــه σ هــدايت، 0σ ثابــت عــددي،T دمــاي مطلــق،Ea انــرژي فعالس ازي و K ثاب ت ب ولتزمن اس ت . زيركوني اي پايـدار ش دهبيشترين هدايت يوني را براي انحلال mol%8 ايتريا دارا ميباشـد .
هدايت يوني به دليل ايجاد هـدايت الكتر ونيكـي توسـط افـزودن Ce كاهش مييابد. در اين مقاله لايههـايNi-YSZ و Ce-YSZ روي زيرپايه آلومينايي چاپ سيلك شـدند و خـواص حسـگريآنها نسبت به گاز اتانول مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين انــرژي فعالســازي از طريــق منحنــي آرنيــوس در رنــج دمــايي C°530-283 محاسبه شده است.

2- مواد و روش تحقيق
ابتدا پودرهاي تهيه شـده (مشخصـات مـواد اوليـه در جـدول (1) ذكر شده است) توسط روش پچيني با چسب آلي پلي ونيل الكل (wt%PVA5) مخلوط ميشوند و خمير حاصل شده توسط روش چاپ سيلك روي زيرپايه آلومينايي (Coors Tek) قرار ميگيرد به اين صورت كه شابلون با توري پليمـري و سـايز مـش 325 بـر
نـ وينمهندسـ ي ال هفــتمشـ ماره ســوم
روي يك تكيـه گـاه كـاملا مسـطح نصـب و زيرپايـه هـا در زيـرشابلون قرار داده ميشوند. سپس خميـر تهيـه شـده بـا اسـتفاده ازكاردك پليمري (اسكوييجي) بر روي زيرپايهها چاپ مـي شـود .
لايههاي بهدست آمده از چـاپ در دمـاي اتـاق بـراي 24 سـاعتخشك ميشوند و براي 2 ساعت در C˚1270 در ابتـدا تـا دمـاي C˚150 با استفاده از سـرعت گرمايشـي و سرمايشـيC/min ˚3 و در ادام ه ت ا دم اي C˚1270 ب ا سـرعت گرمايش ي و سرمايش ي C /min˚5 در اتمسفر هوا پخت ميشوند (به عبارت ديگر بهدليل خشك شدن آهسته لايهها در دمـاي اتـاق، ابتـدا سـرعت آهسـتهپخت (C /min˚3) به منظور خروج آهسته مواد آلي و عدم ايجاد ت رك در لاي هه ا ح ين پخ ت انتخـاب شـد و س پس سـرعت
C /min ˚5 در نظر گرفته شده است كه در مرحله قبل مـواد آلـيباقي مانده خارج شده و با افزايش سرعت گرمايش صـدمه اي بـهلايهها وارد نميشود). بعد از عمليات حرارتي نمونههـا در كـورهسرد ميشوند و سپس براي ساخت حساسههاي گاز مورد استفاده قرار ميگيرند.

جدول (1): مشخصات و شماره استاندارد مواد اوليه
شركت سازنده فرمول شيميايي نام ماده رديف
Merck, ≥%98 8089130 ZrCl4 تترا كلريد زيركونيوم 1

Korea, ≥%99/9 388/01 Y(NO3)3.6H2O نيترات ايتريم شش آبه 2

Merck, ≥%98/5 1022710 Ce(NO3)3.6H2O نيترات سريم
شش آبه 3
Merck,%99/9 106721 Ni(NO3)2.6H2O نيترات نيكل
شش آبه 4
Merck 818707 C6H8O7 اسيد سيتريك 5
AppliChem A1643 C2H6O2 اتيلن گليكل 6
C23P011X H2O آب ديونيزه 7
Merck, %25 105432 NH4OH آمونيا 8
Merck 843866 (C2H4O)n پلي ونيل الكل (PVA) 9

دستگاه حسگري بر مبناي يك هيتر براي بالا بردن دماي حسـگرتا دماي كاري مطلوب به عـلاوه يـك منبـع ولتـاژ بـراي سـنجشتغيي رات مقاومـت س اخته ش ده اس ت. ب راي ايج اد اتص الاتالكتريكي به لايه حساس به گاز، از چسب رسانا بـر پايـه نقـره بـاتحمل دمايي بالا استفاده ميشـود . پـس از اعمـال چسـب رسـانا،نمونه مدتي در دماي C – 150°C°120 قرار ميگيرد تا اتصالات پايدار شوند. اندازهگيري مقاومـت نمونـه بـر حسـب دمـا توسـطمنحني آرنيوس بهدست ميآيد. بهمنظور تعيين مقاومت حسگرها از روش تقسيم ولتاژ استفاده شده است. بدين ترتيـب كـه مطـابقشكل (1)، يك مقاومت ثابت را با حسگر سري كرده و مقـدار 4 ولت ولتـاژ متنـاوب بـا فركـانسHz 80 بـه ايـن مجموعـه اعمـال ميشود.

شكل (1): سامانه استفاده شده براي اندازهگيري مقاومت حسگر

با خواندن افت ولتاژ دو سر مقاومت ثابت، مقدار مقاومت حسگر از رابطه 2 تعيين ميشود:

(2)
كه Rs مقاومت حسگر در هر دما، Vin ولتاژ ورودي كـه روي 4 ولت تنظيم شده بـود،Vo ولتـاژ دو سـر مقاومـت وRo مقاومـتثابت سري با حسگر ميباشـد . در ايـن تحقيـق از بخـار اتـانول بـاغلظت ppm 5000-100 بهعنوان گاز مورد آزمايش استفاده شده است و تغييرات مقاومـت بـا دمـا، تعيـين دمـاي كـار و هـم چنـينتغييرات حساسيت بر حسب غلظت گاز مورد بررسي قرار گرفتـهاست.
بررسي تاثير افزودني اكسيد سريم و اكسيد نيكل به زيركونياي پايدار شده با ايتريا بهعنوان حسگر گازي 65
نتايج و بحث
3-1- بررسي رفتار دمايي
شكل (2) نشان دهنـده تغييـرات لگـاريتم هـدايت الكتريكـي بـر
حس ب عك س دم اي مطل ق ب ه عب ارت ديگ ر وابس تگي دم ايي سنسورهاي Ce-YSZ و Ni-YSZ در هوا ميباشد. طبق معادله 1، انرژي فعالسازي و رسانندگي (هدايت) رابطه عكس بـا يكـديگردارند كه هر چـه مـاده انـرژي فعالسـازي كـم تـري داشـته باشـد،هدايت آن بيشتـر مـيشـود و رسـانندگي نمونـه حـاوي اكسـيدسريم به دليل كمتر بودن انرژي فعالسازي آن (جدول 2)، بيشتر از نمونه حاوي اكسيد نيكل است كه منحنـي آرنيـوس در شـكل(2) گوياي اين مطلب ميباشد.

شكل (2): منحني آرنيوس نمونههاي حاوي اكسيد سريم و اكسيد نيكل

همان طور كه مشاهده ميشود با افـزايش دمـا، رسـانايي افـزايشم يياب د ك ه از ويژگ يه ـاي ذات ي نيم ه ه ادي اس ت، زيــرا اكسيژنهـاي سـطح بـر حسـب دمـا بـهصـورت -2O- ،O و ‐2O از سطح دانههاي تشكيلدهنده بلـور حسـگر جـدا مـيشـوند و ايـنفرايند كه با انتقال الكترون از باند والانس به اكسيژن جذب شـدهنيز همراه است، منجر به افزايش در غلظت حفـرات و كـاهش در مقاومت ميشود. بـهعبـارت ديگـر بـا افـزايش دمـا، حـاملين بـار
اف زايش م ييابن د ك ه اي ن عام ل س بب ك اهش مقاوم ت لاي ه ميگردد [1]. در حقيقت منحنـي آرنيـوس معيـاري بـراي يـافتنانرژي فعالسازي هدايت مـي باشـد كـه انـرژي فعالسـازي از رويشيب نمودارهاي شكل (2) بـهدسـت مـي آيـد. انـرژي فعالسـازي
بيانگر توانايي بر هم كنش اكسيژنهاي جـذب شـيميايي شـده بـاگ از ج ذب ش ده اس ت. ب ا اف زودن اكس يد نيك ل چ ون ان رژي اكتيواس يون اف زايش م يياب د، نف وذ ش بكه ك اهش م يياب د در حاليكه در اثر افزودن اكسيد سريم، بندگپ كـاهش مـييابـد . در نتيجه تراز فرمي به بالاترين سطح نوار ظرفيت نزديكتر ميشـودپس اتمهاي گيرنده به حالتهاي سطحيتر تبديل شده و انـرژيمورد نياز جهت يونش آنها كاهش مييابد و به انرژي فعالسازي كمتري نياز دارد. با توجه به شكل (2)، رسانندگي نمونـه حـاوياكسيد سريم (Ce-8YSZ10) بيشتر از نمونه حاوي اكسيد نيكل (Ni-8YSZ5/1) است. عيوب شيميايي ايجاد شده در اثر افزودن اكسيد سريم و اكسيد نيكـل بـه ترتيـب بـه صـورت روابـط 3 و 4 است:
دوپنت اكسيد سريم:
(1) 2ZrO2: 2VZr”” + 4VO..
(3)

Ce
2
O
3
:

Ce
2
i

+ 3O
i

)
2
(

(
2Ce
i

2V
Zr
””
)
: 2Ce
Zr

(
3O
i

4V
O
..
)
: 3O
O
+ V
O
..

Ce
2
O
3
2Ce
Zr

+ 3O
O
+ V
O
..

2
ZrO
2

Ce

2

O

3

:

Ce

2

i

+ 3O

i

)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید