詳細解讀氧化鋯分析的原理

       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(lái)測氧的傳感器。它是本世紀60年代才興起的。屬于固體離子學(xué)中一個(gè)重要應用方面．這類(lèi)氧傳感器已在國內外廣泛用于工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒，產(chǎn)生了顯著(zhù)的節能效果；廣泛用于汽車(chē)尾氣測量，明顯地改善了城市環(huán)境污染；廣泛用于鋼液測氧，大大提高了優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量；廣泛用于惰性氣體中測氧，其靈敏度和測氧范圍非其它氧量計可比。本文從理論分折和實(shí)際應用兩個(gè)方面闡述了上述問(wèn)題。氧化鋯傳感器的主要應用可歸納為以下五個(gè)方面：
1.煙氣測氧：主要用于發(fā)電廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、化工廠(chǎng)、輕紡印染廠(chǎng)、食品加工廠(chǎng)、等企業(yè)。
2.汽車(chē)尾氣測量：目前主要用于載人的小汽車(chē)和轎車(chē)等。
3.鋼液測氧：主要用于鋼鐵公司和煉銅廠(chǎng)等冶煉企業(yè)。
4.惰性氣體測氧：主要用于鋼鐵公司、空分廠(chǎng)、化肥廠(chǎng)和電子企業(yè)等。
5.物化研究：主要用于高溫氧化還原反應中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數測定。
      我國從1975年起也迅速開(kāi)展了這一應用領(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到或接近國外水平，并在我國得到了推廣應用。      

氧化鋯傳感器的測量原理以及結構特點(diǎn)：
      氧化鋯傳感器的核心構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(lèi)電解質(zhì)有ZrO2·Y2O3，它由二元氧化物組成，其中，ZrO2稱(chēng)為基體，Y2O3稱(chēng)為穩定劑。ZrO2在常溫下是單斜晶體，在高溫下它變成立方晶體(螢石型)，但當它冷卻后又變?yōu)閱涡本w，因此純氧化鋯的晶型是不穩定的。所以當在ZrO2中摻人一定量的穩定劑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部應力變化的原因，該晶體冷卻后仍保留立方晶體，因此又稱(chēng)它為穩定氧化鋯。據上分析，穩定氧化鋯在高溫下(650℃以上)是氧離子的良好導體。
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(guò)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''O2一側向分壓小的P'O2側擴散，這種擴散，不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P''O2側到P'O2側，而是氧分子離解成氧離子后，通過(guò)氧化鋯的過(guò)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側發(fā)生還原反應，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(O2-)進(jìn)入電解質(zhì)，即：
                    O2（P''O2）+4e→2O2-
P''O2側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(yáng)極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過(guò)晶體中的空穴向前運動(dòng)到達右側的鉑電極，在電池的P'O2側發(fā)生氧化反應，氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出，即：
                    2O2-－4e→O2（P'O2）
P'O2側鉑電極由于大量得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個(gè)電極上，由于正負電荷的堆積而形成一個(gè)電勢，稱(chēng)之為氧濃差電動(dòng)勢。當用導線(xiàn)將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負極上的電子就會(huì )通過(guò)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(guò)。
其池電勢由能斯特方程給出：
                    E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
式中R為氣體常數，T為電池的熱力學(xué)溫度(K)，F為法拉第常數．(1)式是在理想狀態(tài)下導出的， 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中；(3)濃差電池是可逆的；(4)電池中不存在任何附加電勢。因此稱(chēng)(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見(jiàn)由于參比氣氧含量P''O2是已知的，因此測得E值后便可求得待測氣體氧含量P'O2值。
當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)，當固體電介質(zhì)一側氧分壓為空氣(20.6%) 時(shí)，由濃差電池輸出電動(dòng)勢E，就可以計算出固體電介質(zhì)另一側氧分壓，這就是氧化鋯氧量分析儀的測氧原理。