高温高压水热体系中甲烷传感器的研制

目前尚未见甲烷传感器用于高温高压水热体系中的报道。本项目拟利用钇稳定氧化锆陶瓷（YSZ，一种氧离子固体电解质）的氧传输特性和各类不同材质电极对甲烷氧化反应敏感特性的差异，研制用于高温（室温-600℃）高压（常压-600 bar）水热体系中甲烷逸度/活度原位测量的甲烷传感器，并期望该传感器具有抗腐蚀，响应快、准确度高等优良性能。在研制过程中，将首先以传感器的组成部件YSZ和电极的烧结制作工艺为变量，通过对YSZ在常温常压下的机械强度测试、常压高温下的氧离子输率测试以及高温高压水热条件下YSZ-电极界面阻抗谱的测量，优化出甲烷传感器的最佳制作工艺条件。之后，在高压釜上进行传感器的可行性试验和标定。本项目研制成功的甲烷传感器不仅可用于高压水热科学实验，而且经外形和结构变更后，可望用作原位探测海底热液喷口和溢流处及附近等极端温压环境下甲烷逸度/活度的传感器探头。

本项目利用钇稳定氧化锆陶瓷（YSZ，一种氧离子固体电解质）的氧传输特性和Au、Pt等电极对甲烷氧化反应敏感特性的差异，成功研制出了可用于较高工作温度、压力的甲烷逸度/活度原位测量的甲烷传感器。传感器核心部件（钇稳定氧化锆陶瓷、Pt/刚玉陶瓷烧结体）由本课题组自行烧制，经对烧制工艺（粘结剂和分散剂的选择及用量、浆料固相含量、球磨时间、烧结温度、烧结时间等）的研究，目前自行烧制产品可满足高温（250-700℃）高压（1-1000 bar）水热试验要求。本课题组制作的甲烷传感器探头，已用于实验室高压水热体系甲烷逸度/活度的测量工作。本项目研制的传感器探头对水热体系中甲烷浓度的变化响应灵敏，随着通入体系中甲烷浓度的增加，传感器探头的响应值也相应增加。且传感器探头响应值随甲烷浓度增加而增加到最大值后，传感器探头响应值不再增大，每次测量结果基本保持在最大值附近。传感器探头对甲烷的响应速度随探头工作温度的增加而加快。当传感器探头工作温度低至250℃及以下时，传感器探头响应信号较差；而当传感器探头工作温度大于400℃时，传感器探头响应较快。本项目研制成功的传感器不仅可用于高压水热科学实验，而且经外形和结构变更后，还可用作原位探测海底热液喷口和溢流处及附近等极端温压环境下甲烷逸度/活度的传感器探头以及其他需要对甲烷气体进行现场检测的领域。