氧化鋯氧分析儀的導電機理

　　在許多生產過程中，特別是燃燒過程和氧化反應過程中，測和控制混合氣體中的氧含是非常重要的。電化學法（氧化鋯氧分析儀屬電化學類）是目前工上分析氧含的一種方法，具有結構簡單、維護方便，反應迅速，測范圍廣等特點。氧化鋯氧分析儀是電化學分析器的一種，可以連續分析各種工鍋爐和爐窯內的燃燒情況，通過控制送風來調整過?？諝庀禂?alpha;值，以保證佳的空氣燃料比，達到節能和環保的雙重效果。這里以氧化鋯氧分析儀為例介紹氧含的檢測原理。

 

　　氧化鋯氧分析儀的導電機理：

 

　　電解溶液靠離子導電，具有離子導電性的固體物稱為固體電解。固體電解是離子晶體結構，靠空穴使離子運動導電，與P型半導體空穴導電的機理相似。純氧化鋯氧分析儀（ZrO2）不導電，摻雜一定比例的低價金屬物作為穩定劑，如氧化鈣（CaO2）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3），就具有高溫導電性，成為氧化鋯氧分析儀固體電解。

 

　　氧離子空穴形成示意圖

 

　　為什么加入穩定劑后，氧化鋯氧分析儀就會具有很高的離子導電性呢？這是因為，摻有少CaO2的ZrO2混合物，在結晶過程中，鈣離子進入立方晶體中，置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價，而鈣離子是+2價，一個鈣離子進入晶體，只帶入了一個氧離子，而被置換出來的鋯離子帶出了兩個氧離子，結果，在晶體中便留下了一個氧離子空穴。例如：（ZrO2）0.85（CaO2）0.15這樣的氧化鋯氧分析儀（氧化鋯氧分析儀的摩爾分數為85%、氧化鈣的摩爾分數是15%），則具有7.5%的摩爾分數的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解。

 

　　氧化鋯氧分析儀分析儀的測原理

 

　　在一個高致密的氧化鋯氧分析儀固體電解的兩側，用燒結的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線，就構成了氧濃差電池，如果電池左側通入參比氣體（空氣），其氧分壓為p0；電池右側通入被測氣體，其氧分壓為p1（未知）。

 

　　氧濃差電池原理圖

 

　　設p0>p1，在高溫下（650…850℃），氧就會從分壓大的p0一側向分壓小的p1側擴散，這種擴散，不是氧分子透過氧化鋯氧分析儀從P0側到P1側，而是氧分子離解成氧離子后，通過氧化鋯氧分析儀的過程。在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P0側發生還原反應，一個氧分子從鉑電極取得4個電子，變成兩個氧離子（O2-）進入電解，即：

 

　　O2（P0）+4e→2O2-

 

　　P0側鉑電極由于大給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解后，通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極，在電池的P1側發生氧化反應，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（P1）

 

　　P1側鉑電極由于大得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上，由于正負電荷的堆積而形成一個電勢，稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時，負極上的電子就會通過外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過。氧濃差電動勢的大小，與氧化鋯氧分析儀固體電解兩側氣體中的氧濃度有關。據此我們就可以知道被測氣體中的氧含。在特定的溫度下氧的體積分數%O2與氧濃差電勢（mV）存在特定的對應關系。與熱電偶的分度值相類似。