JP4849634B2 - CO2 sensor manufacturing method - Google Patents
CO2 sensor manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP4849634B2 JP4849634B2 JP2007170025A JP2007170025A JP4849634B2 JP 4849634 B2 JP4849634 B2 JP 4849634B2 JP 2007170025 A JP2007170025 A JP 2007170025A JP 2007170025 A JP2007170025 A JP 2007170025A JP 4849634 B2 JP4849634 B2 JP 4849634B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- li2co3
- rare earth
- working electrode
- ions
- mixture
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
この発明は、Naイオン導電体と、Li2CO3と希土類化合物と、電子導電性物質を含む作用極とを用いた、ポテンショメトリック型のCO2センサとその製造方法に関し、特にその安定性の改善に関する。 The present invention relates to a potentiometric type CO2 sensor using a Na ion conductor, Li2CO3, a rare earth compound, and a working electrode containing an electronic conductive material and a method for manufacturing the same, and more particularly to improvement of the stability thereof.
Li2CO3とPtやAuなどの混合物から成る作用極をNASICONの一面に設け、NASICONの裏面に被検出雰囲気から遮断してAuやPtの参照極を設けたCO2センサが用いられている。このCO2センサの問題点は、無加熱で放置すると、特に無加熱で湿中雰囲気に放置すると、起電力が低下することにある。そしてこのような起電力の低下を補うため、実用的には、大気中での起電力を学習することが行われている。即ち、起電力が高くかつ安定していることを検出すると、これを大気中での起電力と見なして、この起電力との差によりCO2濃度を求める。以上のように、CO2センサの起電力を安定にすることは、CO2センサでの基本的な課題である。 A CO2 sensor is used in which a working electrode made of a mixture of Li2CO3 and Pt, Au, etc. is provided on one side of NASICON, and a reference electrode of Au or Pt is provided on the back side of NASICON by shielding it from the atmosphere to be detected. The problem with this CO2 sensor is that the electromotive force decreases when left unheated, especially when left unheated in a humid atmosphere. In order to compensate for such a decrease in electromotive force, practically, learning of the electromotive force in the atmosphere is performed. That is, when it is detected that the electromotive force is high and stable, this is regarded as an electromotive force in the atmosphere, and the CO2 concentration is obtained from the difference from this electromotive force. As described above, stabilizing the electromotive force of the CO2 sensor is a basic problem with the CO2 sensor.
この発明の課題は、CO2センサの安定性を改善することにある。 An object of the present invention is to improve the stability of a CO2 sensor.
この発明は、Naイオン導電体に接触するように、被検出雰囲気から遮断した参照極と、Li2CO3とNd化合物と電子導電性物質とを含みかつ被検出雰囲気に接触する作用極、とを設けたCO2センサの製造方法において、
Li化合物とNd化合物の混合物をCO2中850〜900℃で焼成することにより、Liイオンを層間に含有するNdのオキシ炭酸塩とLi2CO3との混合物とし、
該混合物と前記電子伝導性物質とを用いて、前記Naイオン導電体の表面に作用極を成膜し、次いでCO2中700〜850℃で再焼成することを特徴とする。
The present invention is provided with a reference electrode that is cut off from the atmosphere to be detected so as to be in contact with the Na ion conductor, and a working electrode that includes Li2CO3, an Nd compound, and an electron conductive material and is in contact with the atmosphere to be detected. In the manufacturing method of the CO2 sensor,
By firing a mixture of Li compound and Nd compound in CO2 at 850-900 ° C., a mixture of Nd oxycarbonate and Li2CO3 containing Li ions between layers,
Using the mixture and the electron conductive material, a working electrode is formed on the surface of the Na ion conductor, and then refired at 700 to 850 ° C. in
発明者は、CO2センサの起電力が経時的に変化する原因は、作用極でのLiイオンの活量が変化することにあることを見出した。即ちLiイオンはNASICONなどのNaイオン導電体と反応し、作用極とNaイオン導電体との界面に中間層を形成する。LiイオンがNASICONなどと反応すると、作用極でのLiイオンの活量が低下し起電力が変化する。 The inventor has found that the reason why the electromotive force of the CO2 sensor changes with time is that the activity of Li ions at the working electrode changes. That is, Li ions react with a Na ion conductor such as NASICON and form an intermediate layer at the interface between the working electrode and the Na ion conductor. When Li ions react with NASICON, etc., the Li ion activity at the working electrode decreases and the electromotive force changes.
発明者は、原子番号57〜64の軽希土類元素がオキシ炭酸塩を形成し、かつオキシ炭酸塩の層間にLiイオンを包含することを見出した。層間のスペースはオキシ炭酸塩中のCO3イオンによるスペースで、CO3イオンが大きなサイズを持つため、Liイオンは層間に自由に出入りできる。 The inventor has found that light rare earth elements having atomic numbers of 57 to 64 form oxycarbonates and include Li ions between oxycarbonate layers. The space between the layers is a space formed by CO3 ions in the oxycarbonate, and since the CO3 ions have a large size, Li ions can freely enter and leave the layers.
CO2センサが無加熱放置などを経験し、作用極が水蒸気に触れると、Li2CO3の一部が水酸化Liなどに分解する。水酸化LiはLi2CO3に比べて活性で遊離のLiイオンが生じるが、生成したLiイオンは軽希土類元素のオキシ炭酸塩の層間に吸収され、Naイオン導電体との反応を防止できる。以上のメカニズムにより、CO2センサの起電力の変化を防止できる。 If the CO2 sensor experiences unheated exposure and the working electrode touches water vapor, a part of Li2CO3 decomposes into Li hydroxide. Li hydroxide produces more active and free Li ions than Li2CO3, but the generated Li ions are absorbed between layers of light rare earth oxycarbonates and can prevent reaction with Na ion conductors. With the above mechanism, changes in the electromotive force of the CO2 sensor can be prevented.
軽希土類元素として特にNdが好ましく、これ以外にLaやPr,Sm,Euなどでもよい。作用極ではLi元素の一部が希土類元素のオキシ炭酸塩中に包含され、残部がLi2CO3の形態で存在し、特に700℃以上での焼成を施すと、Li2CO3は融解して希土類のオキシ炭酸塩粒子の表面に層状に分布する。Li2CO3と希土類のオキシ炭酸塩との比率はモル比で、例えば1:1〜1:5程度とし、好ましくは3:4〜1:5程度とする。 Nd is particularly preferable as the light rare earth element, and La, Pr, Sm, Eu, etc. may be used in addition to this. At the working electrode, a part of the Li element is contained in the rare earth element oxycarbonate, and the remainder exists in the form of Li2CO3. Especially when firing at 700 ° C or higher, the Li2CO3 melts and the rare earth oxycarbonate It is distributed in layers on the surface of the particles. The ratio of Li2CO3 to rare earth oxycarbonate is, for example, about 1: 1 to 1: 5, and preferably about 3: 4 to 1: 5 in molar ratio.
図8,図9などに示すように、Li化合物とNd化合物の混合物をCO2中850〜900℃で焼成することにより、作用極の安定性が増す。言い換えると作用極からCO2が脱離し難くなる。ここで850〜900℃で焼成したLi2CO3とNdのオキシ炭酸塩との混合物は、CO2中700〜850℃でさらに重量が増加する。このことは当初の焼成でCO2が脱離し、700〜850℃で再度CO2を吸収するものと考えられる。当初の焼成温度が800℃や700℃の場合、800℃付近でのCO2の再吸収は見られない。なおこの明細書において、CO2中は200KPa(0.2気圧)以上のCO2分圧を意味し、好ましくは1気圧以上のCO2分圧を意味する。 As shown in FIG. 8, FIG. 9, etc., the stability of the working electrode is increased by firing a mixture of Li compound and Nd compound in CO2 at 850 to 900.degree. In other words, it is difficult for CO2 to desorb from the working electrode. Here, the mixture of Li2CO3 and Nd oxycarbonate calcined at 850 to 900 ° C further increases in weight at 700 to 850 ° C in CO2. This is considered that CO2 is desorbed by the initial firing and absorbs CO2 again at 700 to 850 ° C. When the initial firing temperature is 800 ° C or 700 ° C, CO2 reabsorption near 800 ° C is not observed. In this specification, CO2 means a CO2 partial pressure of 200 KPa (0.2 atm) or more, preferably a CO2 partial pressure of 1 atm or more.
これらのため、Li化合物とNd化合物の混合物をCO2中850〜900℃で焼成し、次いでこの混合物にPtやAuなどの電子導電性物質を混合して作用極を成膜し、成膜後に700〜850℃でCO2中の再焼成を行うと、Ndのオキシ炭酸塩に取り込まれていないLi化合物はほとんど全量Li2CO3となる。 For these reasons, a mixture of Li compound and Nd compound is baked in CO2 at 850 to 900 ° C., and then an electroconductive substance such as Pt or Au is mixed with this mixture to form a working electrode. When re-firing in CO2 at ~ 850 ° C, the Li compound not incorporated into the Nd oxycarbonate is almost entirely Li2CO3.
発明者は軽希土類元素に代えて、重希土類元素の酸化物やY2O3をLi2CO3と混合しても、CO2センサの特性が安定化することを見出した(図11〜図13)。なお以下では原子番号65〜71の重希土類元素にYを加えて、単に重希土類元素という。重希土類元素は一般にオキシ炭酸塩を形成しないので、CO2センサの特性を安定化するメカニズムは、オキシ炭酸塩の層間へのLiイオンの取り込みとは異なったものである。発明者は、Li2CO3と重希土類元素の酸化物とをCO2中ないしは空気中で焼成すると、重希土類元素の酸化物表面にCO3イオンに由来する赤外吸収が生じることを見出した。このことは、重希土類酸化物表面がCO3イオンで覆われており、CO3イオンからなる負に帯電した場が、遊離のLiイオンを捕捉することを示唆している。そして事実、重希土類酸化物とLi2CO3とを含む作用極は、電子導電性物質の他はLi2CO3のみからなる作用極に比べ安定である(図13)。これらのことは、重希土類の酸化物表面のCO3イオンの場が遊離のLiイオンを吸着し、作用極でのLiイオンの活量を一定に近づけることにより、起電力を安定化できることを示唆する。 The inventor has found that the characteristics of the CO2 sensor can be stabilized even when a heavy rare earth element oxide or Y2O3 is mixed with Li2CO3 instead of the light rare earth element (FIGS. 11 to 13). In the following, Y is added to the heavy rare earth element having the atomic number of 65 to 71 and simply referred to as heavy rare earth element. Since heavy rare earth elements generally do not form oxycarbonates, the mechanism that stabilizes the properties of the CO2 sensor is different from the incorporation of Li ions between oxycarbonate layers. The inventor has found that when Li2CO3 and an oxide of heavy rare earth element are baked in CO2 or in air, infrared absorption derived from CO3 ions occurs on the surface of the oxide of heavy rare earth element. This suggests that the surface of the heavy rare earth oxide is covered with CO3 ions, and the negatively charged field composed of CO3 ions captures free Li ions. In fact, the working electrode containing heavy rare earth oxide and Li2CO3 is more stable than the working electrode made only of Li2CO3 in addition to the electron conductive material (FIG. 13). These facts suggest that the field of CO3 ions on the surface of heavy rare earth oxides can adsorb free Li ions, and the electromotive force can be stabilized by making the Li ion activity at the working electrode close to constant. .
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.
CO2センサの構造
図1〜図13に実施例のCO2センサ2とその特性とを示す。図1はCO2センサ2の構造を模式的に示し、4はペレット状のNASICONで、Na3Zr2Si2PO12の組成で表される。6は作用極で、内部に多孔質Pt層8を含み、多孔質Pt層8はNASICON4の表面に形成され、これを覆うように作用極6が形成されている。なお作用極6の全体にPtを分散させても良く、またPtに代えてAuなどを用いてもよい。以下、作用極6からPtを除いて説明する。作用極6はLi2CO3とNdなどの軽希土類元素のオキシ炭酸塩、例えばNd2O2CO3との混合物で、オキシ炭酸塩はLiイオンを含有している。またLi2CO3はその融点以上の温度で熱処理されるので、オキシ炭酸塩の表面に層状に分布している。
Structure of CO2 Sensor FIGS. 1 to 13 show the
軽希土類元素のオキシ炭酸塩を用いる代わりに、重希土類の酸化物を用いてもよく、この場合、重希土類酸化物表面にCO3イオンを吸着させ、軽希土類の場合と同様に、Li2CO3を酸化物表面に層状に分布させる。10は参照極で、多孔質のPtやAuなどから成り、ガラス管12で被検出雰囲気から遮断する。実施例ではペレット状のNASICON4を用いたが、例えばアルミナ基板の表面にNASICON膜を設け、その表面の一部に作用極6を、他の部分に参照極10を設けて、参照極10をガラスなどにより雰囲気から遮断しても良い。
Instead of using oxycarbonates of light rare earth elements, heavy rare earth oxides may be used.In this case, CO3 ions are adsorbed on the surface of the heavy rare earth oxide, and Li2CO3 is oxidized as in the case of light rare earths. Distribute in layers on the surface. A
材料調製
以下に材料調製について示す。NASICONは、オキシ硝酸Zrと硝酸Na並びにテトラエチルシリケートの硝酸酸性溶液、並びにリン酸アンモニウム水素((NH4)2HPO4)から調製した。リン酸アンモニウム水素を除く出発材料を、Na3Zr2Si2PO12の組成に応じた割合で混合し、リン酸アンモニウム水素を添加して沈殿させ、空気中600℃で焼成した。得られた生成物をボールミル粉砕し、ペレット状に加圧成形して1200℃で焼成し、ペレット状のNASICON4とした。参照極10や多孔質Pt層8にはPtペーストを用い、NASICON4の両面に塗布して、例えば空気中600℃で焼成して焼き付けた。
Material preparation Material preparation is described below. NASICON was prepared from Zr oxynitrate and Na nitrate and an acidic solution of tetraethyl silicate in nitric acid and ammonium hydrogen phosphate ((NH4) 2HPO4). The starting material excluding ammonium hydrogen phosphate was mixed in a proportion corresponding to the composition of Na3Zr2Si2PO12, precipitated by adding ammonium hydrogen phosphate, and calcined at 600 ° C. in air. The obtained product was pulverized by a ball mill, pressure-formed into a pellet, and fired at 1200 ° C. to obtain a NASICON 4 in a pellet form. A Pt paste was used for the
作用極6に軽希土類元素を用いる場合、軽希土類酸化物あるいはNd2O2CO3などの軽希土類元素のオキシ炭酸塩、あるいは軽希土類元素の炭酸塩と、Li2CO3とを混合し、例えば最高温度の850〜900℃までCO2中で加熱して、1時間程度保持し、冷却後に粉砕する。粉砕済みの生成物にグリセリンなどを添加してペースト状とし、多孔質Pt層8と参照極10とを形成済みのNASICON4に対し、作用極6を覆うように塗布し、CO2で例えば最高温度700〜850℃で1時間程度保つように再焼成する。
When light rare earth elements are used for the working
希土類化合物として重希土類の酸化物を用いる場合、重希土類の酸化物とLi2CO3とを混合し、CO2中で例えば最高温度800℃程度まで加熱して1時間程度保持し、冷却後に粉砕して作用極材料とする。得られた作用極材料をペースト化して、多孔質Pt層8を覆うようにNASICON4の表面に塗布し、再度例えば700℃程度で焼成する。再焼成雰囲気はCO2中が好ましい。
When heavy rare earth oxide is used as the rare earth compound, the heavy rare earth oxide and Li2CO3 are mixed, heated in CO2 to a maximum temperature of, for example, about 800 ° C., held for about 1 hour, and pulverized after cooling to obtain a working electrode. Material. The obtained working electrode material is made into a paste, applied to the surface of NASICON 4 so as to cover the
Li2CO3とNASICONとの反応
図2に、Li2CO3とNASICONとの混合物を熱処理した際の生成物を示す。Li2CO3とNASICONとを混合し、図中に示した温度まで加熱した後に、室温へ冷却しX線回折を行った。600℃付近ではNa3.4Zr2Si2.4P0.6O12に対応するピークが見られ、800℃付近ではNa4Zr2Si3O12に対応するピークが見られる。そして1000℃程度では、ZrO2のピークが検出できる。図2から、NASICONとLi2CO3との混合物を600℃以上で加熱すると、NASICONよりもNaリッチな化合物のピークが生成し、Li2CO3のピークが消失することが分かる。従ってLi2CO3がNASICONと反応し、Liイオンを含む化合物が生成しているものと推定できる。
Reaction of Li2CO3 and NASICON Fig. 2 shows the product when a mixture of Li2CO3 and NASICON is heat treated. Li2CO3 and NASICON were mixed and heated to the temperature shown in the figure, then cooled to room temperature and subjected to X-ray diffraction. A peak corresponding to Na3.4Zr2Si2.4P0.6O12 is seen around 600 ° C, and a peak corresponding to Na4Zr2Si3O12 is seen around 800 ° C. At about 1000 ° C., a ZrO2 peak can be detected. FIG. 2 shows that when a mixture of NASICON and Li2CO3 is heated at 600 ° C. or higher, a peak of a compound rich in Na than NASICON is generated and a peak of Li2CO3 disappears. Therefore, it can be presumed that Li2CO3 reacts with NASICON to produce a compound containing Li ions.
CO2センサ2の動作温度は400〜500℃程度、実施例では460℃で、この温度で長時間使用すると、Li2CO3の一部がNASICONと反応し、Liイオンを含有する中間層を形成するものと考えられる。またLi2CO3とNASICONとの反応は、無加熱放置などによりLi2CO3が分解して生じた遊離のLiイオンを経由するものと考えられる。そこで発明者は、作用極とNASICON界面でのLiイオンとNASICONとの反応を抑制すれば、CO2センサの長期安定性を改善し得るものと推定した。
The operating temperature of the
軽希土類のオキシ炭酸塩
図3に酸化ネオジウム(Nd2O3)とLi2CO3とのモル比での1:1混合物を、CO2(1気圧)中で加熱した際のX線回折結果を示す。図の300〜1000の数字は加熱温度を示し、1時間この温度に保持した後に室温まで冷却してX線回折を行った。図から、600℃付近でNdのオキシ炭酸塩(Nd2O2CO3)が生成し、700℃付近でLi2CO3のピークが消滅し、800℃付近ではNdのオキシ炭酸塩の格子定数が僅かに変化している。格子定数の変化(図4)は、Liイオンを包含するNdのオキシ炭酸塩(Nd2O2+2x(CO3)1-xLi2x)が生成していることを示す。1000℃程度の加熱によりオキシ炭酸塩は分解し、Ndの酸化物に変化している。なおLi2CO3は600℃強で融解するので、冷却後のオキシ炭酸塩の表面にはLi2CO3が層状に分布しているものと考えられる。
Light Rare Earth Oxycarbonate Figure 3 shows X-ray diffraction results when a 1: 1 mixture of neodymium oxide (Nd2O3) and Li2CO3 in a molar ratio was heated in CO2 (1 atm). The
図4に、NdやLaの酸化物と、Li2CO3とをモル比で1:1に混合し、CO2中で焼成した際の格子定数の変化を示し、オキシ炭酸Ndではc軸パラメータを、オキシ炭酸Laではab面のパラメータを示す。図の700〜900などの数字は最高加熱温度を示し、縦軸のxは図3でオキシ炭酸Ndの組成を示すために用いたLi化度を示すパラメータである。Ndのオキシ炭酸塩にLiが取り込まれると、組成がNd2O2+2x(CO3)1-xLi2xとなることが知られており、全体の組成はNd2O2+2x(CO3)1-xLi2xと(1-x)Li2CO3となる。このことと後述の熱試料分析とから、Li化度を推定した。焼成温度を増すに伴って、オキシ炭酸塩中にLiイオンが取り込まれ、Ndの場合800〜900℃の焼成で、多量のLiイオンがオキシ炭酸塩中に取り込まれる。なおNd酸化物とNa2CO3との混合物をCO2中で焼成しても、オキシ炭酸塩へのNaイオンの取り込みは生じなかった。 Fig. 4 shows the change in lattice constant when Nd and La oxides and Li2CO3 are mixed at a molar ratio of 1: 1 and calcined in CO2. For Nd oxycarbonate, the c-axis parameter is In La, ab plane parameters are shown. Numbers such as 700 to 900 in the figure indicate the maximum heating temperature, and x on the vertical axis is a parameter indicating the degree of Li conversion used to indicate the composition of Nd oxycarbonate in FIG. When Li is incorporated into Nd oxycarbonate, the composition is known to be Nd2O2 + 2x (CO3) 1-xLi2x, and the overall composition is Nd2O2 + 2x (CO3) 1-xLi2x and (1-x ) Li2CO3. From this and the thermal sample analysis described later, the Li degree was estimated. As the firing temperature is increased, Li ions are taken into the oxycarbonate, and in the case of Nd, a large amount of Li ions are taken into the oxycarbonate upon firing at 800 to 900 ° C. When a mixture of Nd oxide and Na2CO3 was calcined in CO2, Na ions were not taken into the oxycarbonate.
図5はLi2CO3とNd2O3とのモル比で1:1混合物を、CO2中(実線)及び空気中(破線)で焼成した際の、生成物のFTIRスペクトルを示す。CO2中で600℃以上で焼成することにより、3600cm-1付近の水酸基の吸収が消滅する。これに対して空気中の焼成では、800℃付近でも水酸基の吸収は消滅していない。従ってCO2中での焼成によるNdのオキシ炭酸塩の形成が、水酸化Liの生成を効果的に防止することが分かる。 FIG. 5 shows the FTIR spectrum of the product when a 1: 1 mixture of Li2CO3 and Nd2O3 is calcined in CO2 (solid line) and in air (dashed line). By baking at 600 ° C. or higher in CO2, the absorption of hydroxyl groups near 3600 cm −1 disappears. On the other hand, in the baking in air, the absorption of hydroxyl groups has not disappeared even at around 800 ° C. Therefore, it can be seen that the formation of Nd oxycarbonate by calcination in CO2 effectively prevents the formation of Li hydroxide.
重希土類のオキシ炭酸塩のFTIRスペクトル
図6,図7は、モル比で1:1のLi2CO3とY2O3の混合物を、400〜800℃で加熱した後室温まで冷却した後のFTIRスペクトルを示す。Y2O3とLi2CO3との混合物を焼成すると、焼成温度が400℃と低い場合でも、また焼成雰囲気を空気中としても、3600cm-1付近の水酸基の吸収が消滅する。また900cm-1付近にY2O3上に吸着したCO3イオンの吸収が見られ、550cm-1付近にもY2O3上の吸着COの吸収が見られる。これらのことから、Y2O3とLi2CO3を混合して焼成すると、焼成雰囲気がCO2中でも空気中でも、Y2O3の表面はCO3イオンで覆われることが分かる。即ち、空気中の焼成でもCO2中の焼成でも、Y2O3上のCO3イオンやCOに対応する吸収が見られる。なお空気中焼成の場合のCO3イオンはLi2CO3から供給されたものと考えられる。重希土類の酸化物とLi2CO3の混合物を焼成した場合も、600℃以上でLi2CO3は溶融して重希土類の酸化物表面に層状に分布するものと考えられる。
FTIR Spectra of Heavy Rare Earth Oxycarbonates FIG. 6 and FIG. 7 show FTIR spectra after a 1: 1 molar mixture of Li2CO3 and Y2O3 was heated to 400-800 ° C. and then cooled to room temperature. When a mixture of Y2O3 and Li2CO3 is calcined, the absorption of hydroxyl groups in the vicinity of 3600 cm −1 disappears even when the calcining temperature is as low as 400 ° C. and even when the calcining atmosphere is in the air. Also, absorption of CO3 ions adsorbed on Y2O3 is observed near 900 cm −1 , and absorption of CO adsorbed on Y2O3 is also observed near 550 cm −1 . From these facts, it can be seen that when Y2O3 and Li2CO3 are mixed and fired, the surface of Y2O3 is covered with CO3 ions regardless of whether the firing atmosphere is CO2 or air. In other words, absorption corresponding to CO3 ions and CO on Y2O3 can be seen both in the air and in CO2. In addition, it is thought that the CO3 ion in the case of baking in air was supplied from Li2CO3. Even when a mixture of heavy rare earth oxide and Li2CO3 is fired, it is considered that Li2CO3 melts and is distributed in layers on the surface of the heavy rare earth oxide at 600 ° C. or higher.
熱質量分析
図8に、モル比で1:1のNd2O3とLi2CO3とをCO2中で700〜900℃の各温度で事前に焼成し、再度CO2中で加熱した際の熱質量分析の結果を示す。図の黒抜きのマークは昇温側を、白抜きのマークは降温側を示し、図中の数字は事前の焼成温度を示し、900℃以上で系の状態はLi2OとNd2O3との混合物である。事前の焼成温度が800℃や700℃の場合、900℃以上の温度を経験すると、冷却しても元の質量に戻らない。これに対して事前に900℃で焼成した試料の場合、700〜850℃で一旦質量が増加し、冷却すると元の質量に復帰する。
Thermomass analysis Fig. 8 shows the results of thermal mass spectrometry when Nd2O3 and Li2CO3 at a molar ratio of 1: 1 were pre-fired in CO2 at temperatures of 700 to 900 ° C and heated again in CO2. . The black mark in the figure indicates the temperature rising side, the white mark indicates the temperature decreasing side, the numbers in the figure indicate the pre-baking temperature, and the system state is a mixture of Li2O and Nd2O3 above 900 ° C . If the pre-baking temperature is 800 ° C or 700 ° C, if you experience a temperature of 900 ° C or higher, it will not return to its original mass even after cooling. On the other hand, in the case of a sample fired at 900 ° C. in advance, the mass once increases at 700 to 850 ° C., and returns to the original mass when cooled.
図9に同じサンプルについて、空気中で再加熱を行った際の特性を示す。いずれの場合も冷却後は元の質量に復帰しないが、事前の焼成温度が900℃の場合、800℃焼成や700℃焼成に比べて、Li2CO3の分解が緩やかである。図8及び図9の結果を総合すると、事前に900℃で焼成することによりLi2CO3の安定性が増す。しかしながらこの試料では、Li2CO3などからCO2が脱離して不足しており、700〜850℃でCO2の再吸収が生じる。そこでNd2O3などの軽希土類の酸化物とLi2CO3とを850〜900℃で焼成して、軽希土類元素のオキシ炭酸塩にLiイオンを含有させると共に、その表面にLi2CO3を付着させる。次に得られた生成物を粉砕し、作用極を成膜した後CO2中で再度700〜850℃で焼成すると、CO3イオンの含有量が高く、かつ熱的に安定な作用極が得られる。
FIG. 9 shows the characteristics when the same sample is reheated in air. In either case, the mass does not return to the original mass after cooling, but when the pre-calcination temperature is 900 ° C., the decomposition of
図10に、Y,Er,Yb,Luの4種類の重希土類元素の酸化物とLi2CO3とをモル比で1:1に混合し、空気中で焼成した際の質量変化を示す。図の黒抜きの記号は混合物を予め900℃のCO2中で焼成した際の結果を示し、白抜きの記号は予備焼成を行わなかった際の結果を示す。図10の焼成雰囲気は空気中である。いずれの試料も、900℃程度の温度よりも高温側で、Liと重希土類元素の複酸化物に変化し、オキシ炭酸塩の生成は検出できなかった。生じた複酸化物は不安定で、CO2中で加熱すると300℃以上で分解して、重希土類の酸化物とLi2CO3とに変化した。CO2中での予備焼成によりLi2CO3の分解温度が高温側にシフトし、このことは重希土類の酸化物とLi2CO3との間に強い相互作用があることを示す。そしてFTIRの結果から、重希土類酸化物表面のCO3イオンの層がLi2CO3の分解を遅らせているものと推定できる。
FIG. 10 shows mass changes when four kinds of heavy rare earth element oxides of Y, Er, Yb, and Lu and Li2CO3 are mixed at a molar ratio of 1: 1 and fired in air. The black symbols in the figure indicate the results when the mixture was previously baked in 900 °
Ndのオキシ炭酸塩を用いた作用極の特性
図11,図12に、Li2CO3とNd2O3との混合物から出発した作用極の特性を示す。作用極はNd2O3とLi2CO3との混合物をCO2中800℃で焼成し、成膜後にCO2中700℃で再焼成したものである。図12の0.25:1などの割合は、Li2CO3とNd2O3とのモル比を示し、なお図12の最下部での割合1:0は、Nd2O3を用いずLi2CO3のみで調製した作用極を示す。また図11の中段はLi2CO3とNd2O3とのモル比で1:1の混合物を、CO2中で予備焼成せず、成膜後に空気中600℃で焼成した試料を示す。
Characteristics of the working electrode using Nd oxy carbonate Figure 11, Figure 12 shows the characteristics of the working electrode starting from a mixture of Li2CO3 and Nd2O3. The working electrode is obtained by baking a mixture of Nd2O3 and Li2CO3 at 800 ° C. in
図11,図12でのプロットの上下の幅はCO2感度を示し、Li2CO3のみを用いた作用極では、当初の100時間程度の間起電力は急激に低下し、その後増加する。Li2CO3とNd2O3との混合物や、Ndのオキシ炭酸塩(Liイオンを包含するもの)とLi2CO3との混合物の場合、初期的に起電力が変化するが、数十時間程度で特性は安定する。そしてNdのオキシ炭酸塩とLi2CO3との混合物では、60時間程度経過すると、その後の起電力のドリフトが特に小さくなる。 The upper and lower widths of the plots in FIGS. 11 and 12 indicate the CO2 sensitivity, and in the working electrode using only Li2CO3, the electromotive force rapidly decreases for the first 100 hours and then increases. In the case of a mixture of Li2CO3 and Nd2O3, or a mixture of Nd oxycarbonate (including Li ions) and Li2CO3, the electromotive force changes in the initial stage, but the characteristics stabilize in about several tens of hours. Then, in the mixture of Nd oxycarbonate and Li2CO3, the drift of electromotive force thereafter becomes particularly small after about 60 hours.
図12に示すように、Li2CO3に対してNd2O3を過剰にした方が、起電力の安定性が増加する。起電力の安定性はLi2CO3 1モルに対し、Nd2O3 4モルの出発材料で最も優れ、図12から作用極でのLiとNdとの比は原子比で1:5〜3:4が好ましいことが分かり、特に好ましくは1:4程度とする。 As shown in FIG. 12, the stability of the electromotive force increases when Nd2O3 is excessive with respect to Li2CO3. The stability of the electromotive force is most excellent with 4 mol of Nd2O3 starting material with respect to 1 mol of Li2CO3, and the ratio of Li and Nd at the working electrode is preferably 1: 5 to 3: 4 in terms of atomic ratio from FIG. Clearly, particularly preferably about 1: 4.
重希土類の酸化物を用いた作用極の特性
図13に、重希土類元素の酸化物とLi2CO3との、モル比で1:1の混合物を用いた作用極での特性を示す。なおLi2CO3と重希土類酸化物をCO2中900℃で予備焼成し、粉砕後にペースト化して成膜して作用極とし、CO2中700℃で再焼成した。Li2CO3単味に対し、Y2O3との混合物の場合も、Yb2O3の混合物との場合も、起電力が安定になる。また重希土類の酸化物を混合することにより起電力が安定することは、TbやDy,Tmでも確認できた。
Characteristics of Working Electrode Using Heavy Rare Earth Oxide FIG. 13 shows characteristics at a working electrode using a 1: 1 mixture of heavy rare earth oxide and Li2CO3. Li2CO3 and heavy rare earth oxide were pre-fired in CO2 at 900 ° C, pulverized into a paste, formed into a working electrode, and refired in CO2 at 700 ° C. In contrast to Li2CO3 alone, the electromotive force is stable both in the case of a mixture with Y2O3 and with a mixture of Yb2O3. It was also confirmed by Tb, Dy, and Tm that the electromotive force was stabilized by mixing heavy rare earth oxides.
CO2センサの安定化機構
センサ特性の安定化の機構について検討する。CO2の検出において、作用極での反応は式(1)により表され、NASICONと参照極との界面での反応は式(2)で表される。
Li2CO3→2Li++CO2+1/2 O2+2e- (1)
2Na++1/2 O2+2e-→Na2O (2)
そこで反応に関与する各成分の電気化学ポテンシャルをμで表わし、作用極を添字aで、参照極を添字rで表し、作用極での平衡や参照極とNASICON界面での平衡を仮定すると、作用極で式(3)が、参照極で式(4)が成立する。
μaLi2CO3=2μaLi++μaCO2+1/2μaO2+2μae- (3)
2μrNa++1/2μrO2+2μre-=μrNa2O (4)
CO2 sensor stabilization mechanism The mechanism of sensor characteristic stabilization is discussed. In the detection of CO2, the reaction at the working electrode is represented by equation (1), and the reaction at the interface between NASICON and the reference electrode is represented by equation (2).
Li2CO3 → 2Li + + CO2 + 1 /2 O2 + 2e - (1)
2Na + +1/2 O2 + 2e - → Na2O (2)
Therefore, the electrochemical potential of each component involved in the reaction is represented by μ, the working electrode is represented by the subscript a, the reference electrode is represented by the subscript r, and assuming the equilibrium at the working electrode and the equilibrium at the reference electrode and the NASICON interface, Equation (3) is established at the pole and Equation (4) is established at the reference pole.
μaLi2CO3 = 2μaLi + + μaCO2 + 1 / 2μaO2 + 2μae - (3)
2μrNa + + 1 / 2μrO2 + 2μre - = μrNa2O (4)
活量を記号aで表し、ギブスの自由エネルギーの変化をΔG0で、Farady定数をFで表すと、式(3),(4)からCO2センサの起電力は式(5)で表される。ここからCO2感度に関する項と他の項とを分離すると、起電力は式(6)で表される。
EMF=−ΔG0/2F−(RT/2F)ln[(aaLi+2・PaCO2・aaO20.5・arNa2O)/
(aaLi2CO3・arNa+2・arO20.5)] (5)
EMF=−(RT/2F)ln[PaCO2]−(RT/2F)ln[(aaLi+2・arNa2O)/(aaLi2CO3・arNa+2)]
+constant (6)
作用極側でのLi2CO3の活量はほぼ一定と考えられ、参照極側でのNa2Oの活量とNaイオンの活量の比も、参照極での酸素の活量が一定であれば、式(4)からほぼ一定と考えられる。すると起電力の変化をもたらしているものは、Liイオンの活量の変化となる。そしてこのことは、図2で確認したNASICONとLi2CO3との反応によるLiイオンの活動どの変化と対応し、また軽希土類のオキシ炭酸塩や重希土類の酸化物がLiイオンのバッファとして作用し、起電力のドリフトを防止するとの結果とも一致する。
When the activity is represented by the symbol a, the change in Gibbs free energy is represented by ΔG 0 and the Farady constant is represented by F, the electromotive force of the CO2 sensor is represented by the equation (5) from the equations (3) and (4). . If the term relating to the CO2 sensitivity is separated from the other term from this, the electromotive force is expressed by Equation (6).
EMF = −ΔG 0 / 2F− (RT / 2F) ln [(aaLi + 2 · PaCO2 · aaO2 0.5 · arNa2O) /
(aaLi2CO3 ・ arNa + 2・ arO2 0.5 )] (5)
EMF = − (RT / 2F) ln [PaCO2] − (RT / 2F) ln [(aaLi + 2 · arNa2O) / (aaLi2CO3 · arNa + 2 )]
+ Constant (6)
The Li2CO3 activity on the working electrode side is considered to be almost constant, and the ratio of the Na2O activity to the Na ion activity on the reference electrode side is also the formula if the oxygen activity at the reference electrode is constant. It is considered almost constant from (4). Then, what brings about the change of electromotive force becomes the change of the activity of Li ion. This corresponds to the change in Li ion activity caused by the reaction between NASICON and Li2CO3, which was confirmed in Fig. 2, and light rare earth oxycarbonates and heavy rare earth oxides act as Li ion buffers. This agrees with the result of preventing power drift.
実施例では、軽希土類元素のオキシ炭酸塩により遊離のLiイオンを吸収し、NASICONとの反応を防止すると共に、Liイオンの活量を安定化する。これによって起電力が安定化する。重希土類の酸化物の場合、酸化物表面にCO3イオンの層が形成されている。作用極のLi2CO3から遊離のLiイオンが生じると、重希土類酸化物表面のCO3イオンにより吸着される。このため遊離のLiイオンがトラップされ、同様にLiイオンの活量の変化を防止すると共に、NASICONとの反応を防止できる。
In the examples, the light rare earth element oxycarbonate absorbs free Li ions, prevents reaction with NASICON, and stabilizes the activity of Li ions. As a result, the electromotive force is stabilized. In the case of heavy rare earth oxides, a layer of CO3 ions is formed on the oxide surface. When free Li ions are generated from Li2CO3 at the working electrode, they are adsorbed by CO3 ions on the surface of the heavy rare earth oxide. For this reason, free Li ions are trapped, and similarly, the change of Li ion activity can be prevented and the reaction with NASICON can be prevented.
2 CO2センサ
4 NASICON
6 作用極
8 多孔質Pt層
10 参照極
12 ガラス管
2
6 Working
Claims (1)
Li化合物とNd化合物の混合物をCO2中850〜900℃で焼成することにより、Liイオンを層間に含有するNdのオキシ炭酸塩とLi2CO3との混合物とし、
該混合物と前記電子伝導性物質とを用いて、前記Naイオン導電体の表面に作用極を成膜し、次いでCO2中700〜850℃で再焼成することを特徴とする、CO2センサの製造方法。 Production of a CO2 sensor provided with a reference electrode cut off from the detected atmosphere so as to be in contact with the Na ion conductor, and a working electrode containing Li2CO3, an Nd compound and an electron conductive substance and in contact with the detected atmosphere In the method
By firing a mixture of Li compound and Nd compound in CO2 at 850-900 ° C., a mixture of Nd oxycarbonate and Li2CO3 containing Li ions between layers,
Using the mixture and the electron conductive material, a working electrode is formed on the surface of the Na ion conductor, and then re-fired at 700 to 850 ° C. in CO 2. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007170025A JP4849634B2 (en) | 2007-06-28 | 2007-06-28 | CO2 sensor manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007170025A JP4849634B2 (en) | 2007-06-28 | 2007-06-28 | CO2 sensor manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009008527A JP2009008527A (en) | 2009-01-15 |
| JP4849634B2 true JP4849634B2 (en) | 2012-01-11 |
Family
ID=40323754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007170025A Expired - Fee Related JP4849634B2 (en) | 2007-06-28 | 2007-06-28 | CO2 sensor manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4849634B2 (en) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3236254B2 (en) * | 1997-11-21 | 2001-12-10 | 株式会社トクヤマ | Solid electrolyte type carbon dioxide sensor element |
| JP4270737B2 (en) * | 2000-10-05 | 2009-06-03 | 新コスモス電機株式会社 | Solid electrolyte carbon dioxide sensor |
| JP4063658B2 (en) * | 2002-12-26 | 2008-03-19 | フィガロ技研株式会社 | Solid electrolyte carbon dioxide sensor element |
| JP2004239832A (en) * | 2003-02-07 | 2004-08-26 | Tdk Corp | Carbon dioxide sensor |
| JP4263116B2 (en) * | 2004-02-06 | 2009-05-13 | 新コスモス電機株式会社 | Carbon dioxide detector |
-
2007
- 2007-06-28 JP JP2007170025A patent/JP4849634B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009008527A (en) | 2009-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2687730C1 (en) | Ion-conducting oxide with garnet structure and method of producing sintered body of oxide electrolyte | |
| Ji et al. | Comparative investigations of the crystal structure and photoluminescence property of eulytite-type Ba 3 Eu (PO 4) 3 and Sr 3 Eu (PO 4) 3 | |
| Béchade et al. | Synthesis of lanthanum silicate oxyapatite materials as a solid oxide fuel cell electrolyte | |
| EP1358686A2 (en) | Stabilized spinel battery cathode material and methods | |
| KR20090015131A (en) | Alkali metal titanate and its synthesis method | |
| Jaiswal et al. | Effect of addition of erbium stabilized bismuth oxide on the conductivity of lanthanum doped ceria solid electrolyte for IT-SOFCs | |
| Yoo et al. | A comparative study on the synthesis of Al-doped Li6. 2La3Zr2O12 powder as a solid electrolyte using sol–gel synthesis and solid-state processing | |
| EP3659967A2 (en) | Mixed conductor, electrochemical device, and method of preparing mixed conductor | |
| WO2020153485A1 (en) | Solid electrolyte, electrolyte layer and battery | |
| JP2014172812A (en) | Method of producing lithium ion conductive oxide | |
| US8057653B2 (en) | Carbon dioxide sensor | |
| CN103515588A (en) | Lithium-titanium complex oxide and manufacturing method thereof, and battery electrode using same | |
| Mielewczyk-Gryn et al. | Characterization of magnesium doped lanthanum orthoniobate synthesized by molten salt route | |
| Kluczny et al. | Sillén–Aurivillius phase bismuth niobium oxychloride, Bi 4 NbO 8 Cl, as a new oxide-ion conductor | |
| Kolchina et al. | Evaluation of La1. 8− xPrxSr0. 2CuO4− δ oxides as cathode materials for IT-SOFCs | |
| JP4849634B2 (en) | CO2 sensor manufacturing method | |
| US6150290A (en) | Ceramic material for use in the separation of oxygen from gas mixture | |
| JP2012043638A (en) | Material powder of air electrode for solid oxide fuel cell and method for producing the same | |
| JP4320531B2 (en) | Mixed conductive composite oxide for oxygen separation and method for producing the same | |
| JP2005100978A (en) | Mixed ionic conductor | |
| Raimondi | Defect chemistry of mixed conducting perovskites: Interplay of protonic defects, oxygen vacancies and electron holes | |
| JPH059057A (en) | Perovskite type compound oxide for electrode | |
| JP2022102787A (en) | Complex oxide | |
| Banks et al. | Concentration and temperature dependence of divalent europium line emission in BaMgF4 | |
| KR20230070461A (en) | Perovskite structures, fabrication methods, and applications in electrodes and solid oxide cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100525 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110729 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110804 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110922 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111014 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111014 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141028 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |