ガスセンシング材料用としての機能性マイクロ/ナノ構造を有する金属酸化物の調製

功能性微纳结构金属氧化物气敏材料的制备

基本信息

批准号：
10F00353
负责人：
三浦則雄
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、高度な自動車排ガス用センサあるいは環境モニタリング用ガスセンサの構築を最終目標とし、酸化物系薄膜材料の作製法、微細構造、表面物性の最適化とセンサ材料の結晶構造、電気化学特性の評価・検討を行うものである。今年度は、昨年度に見出したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)とAuメッシュ/Pt検知極を組み合わせた環境モニタリング用水素センサについて、ガス応答特性の改善を行った。また、YSZセンサにおけるNOx検知メカニズムの解明を目指し、VASPを用いたコンピューターシミュレーションを行った。まず、Auメッシュ/Pt検知極を用いた新規な水素センサについて、特性改善を行った。本素子の水素選択性および応答回復速度は十分ではなかったため、Auメッシュ/Pt上へYSZ層を形成した後、550℃で2ヶ月間安定化したところ、水素に対する高選択性と高速応答性が得られた。本素子は、大気環境条件下(21vol.% 02および1.35vol.%H2O)においても40～400ppmの低濃度水素を再現性良く検知可能であった。次に、YSZセンサにおけるNOx検知メカニズムを明確にするため、YSZ(111)およびYSZ+0(111)表面におけるNOx(NO,NO2)の吸着状態について、密度関数理論(DFT)を用いたシミュレーション解析を行った。その結果、作動温度500℃ではYSZ+0(111)表面の吸着NOおよび吸着NO2は、YSZ表面の酸素原子(0)と反応することでそれぞれNO2およびNO3(あるいはNO+O2)として脱離することが分かった。一方、YSZ(111)表面では、吸着NOと吸着NO2の物理的な吸着脱離反応が進行することが分かった。

本研究的最终目标是构建先进的汽车尾气传感器或环境监测气体传感器。本研究的目的是优化氧化物基薄膜材料的制造方法、微观结构和表面性能，并改善晶体结构。传感器材料的结构和电化学性能供评估和考虑。今年，我们改进了用于环境监测的氢传感器的气体响应特性，该传感器结合了氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 和去年发现的金网/铂传感电极。此外，我们使用 VASP 进行了计算机模拟，旨在阐明 YSZ 传感器中的 NOx 检测机制。首先，我们使用金网/铂传感电极改进了新型氢传感器的特性。该器件的氢选择性和响应恢复速度不够，因此在Au网/Pt上形成YSZ层并在550℃稳定2个月后，获得了高氢选择性和快速响应。即使在大气条件下（21 vol.% O 2 和1.35 vol.% H 2 O），该装置也能够以良好的再现性检测40至400 ppm的低浓度氢气。接下来，为了阐明YSZ传感器中NOx检测机理，我们利用密度泛函理论（DFT）进行了模拟分析，以考察NOx（NO，NO2）在YSZ（111）和YSZ+0（ 111) 我做到了。结果，在500℃的工作温度下，YSZ+0(111)表面吸附的NO和NO2通过与YSZ+0(111)表面的氧原子(0)反应，分别解吸为NO2和NO3(或NO+O2)。这就是我发现的YSZ表面。另一方面，发现吸附的NO和吸附的NO 2 之间的物理吸附-解吸反应在YSZ(111)表面上进行。