兩電極電化學CO傳感器的研制

摘要：用離子導電聚合物Nafion膜作為電解質(zhì)材料，用納米Pt固定在PTFE多孔膜上的方法制備電極的關(guān)鍵技術(shù)研制出一種新型的低功耗、高靈敏度、高可靠性的兩電極電化學CO傳感器。
CO作為大氣污染物的主要物質(zhì)之一，是環(huán)境監(jiān)測控制的重點。隨著城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及變化，城市煤氣已進入千家萬戶，以其清潔、方便的特點迅速普及。但由于使用不當或器具不合格，或其他因素造成泄漏，使得CO泄出后造成人員中毒事故時有發(fā)生；燃煤及燃氣熱水器不充分燃燒造成CO的聚集而導致居家人員中毒傷亡也不少見；在工業(yè)領(lǐng)域，CO氣體的生產(chǎn)、制造、應(yīng)用等也需控制其濃度范圍；在采礦行業(yè)，地下礦井的CO氣體也需要檢測報警。在環(huán)保方面汽車尾氣檢測CO也日益重視起來。兩電極電化學式CO傳感器功耗低、體積小、靈敏度高、線性范圍寬，并具有抗干擾能力強、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，是一種廣泛適合工業(yè)及民用領(lǐng)域的電化學式傳感器。

1、傳感器的結(jié)構(gòu)：
        電化學傳感器有兩電極和三電極結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警；三電極CO傳感器引入?yún)⒈入姌O，使傳感器具有較大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價格遠高于兩電極CO傳感器，主要用于工業(yè)領(lǐng)域。針對當前我國對廉價民用CO報警器的迫切需求，我們選擇了兩電極CO傳感器的整體設(shè)計方案。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、除去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。電化學式傳感器的代表性構(gòu)造
2、主要材料的選擇：
        2.1 電解質(zhì) 電解質(zhì)是電化學傳感器電極間的導體，是構(gòu)成電池的重要成分。電化學CO傳感器按照電解質(zhì)狀態(tài)可分為液體電解質(zhì)型、半固態(tài)電解質(zhì)型和固體電解質(zhì)型。由于液體電解質(zhì)易于泄漏和揮發(fā)，嚴重影響了傳感器的使用壽命，所以目前很少使用。半固態(tài)電解質(zhì)是介于液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)之間的電解質(zhì)，是將一種親水性的多孔材料(或稱為燈芯材料)浸泡在硫酸中來形成的，這就要求該材料有很好的耐酸腐蝕性質(zhì)，如聚苯乙烯磺酸膜、玻璃纖維膜等。而固體電解質(zhì)型電解質(zhì)代表了傳感器的發(fā)展的方向。電化學固態(tài)聚合物電解質(zhì)型CO傳感器以聚合物中的官能基來傳導離子，由于能在室溫下工作，并且聚合物可按照設(shè)計需要通過化學反應(yīng)進行改性，便于加工。經(jīng)比較，固態(tài)聚合物電解質(zhì)型結(jié)構(gòu)性能更好，更易于制得高性能特別是高壽命的傳感器。通過試驗研究，我們最終選擇了Nafion固態(tài)聚合物電解質(zhì)作為兩電極電化學CO傳感器的電解質(zhì)。為了克服Nafion固體電解質(zhì)電化學傳感器在使用時易受外界濕度干擾、影響使用壽命的缺點,在傳感器中設(shè)計了主要用玻璃纖維作為吸收材料填充少量液體電解質(zhì)的儲存室，使液體電解質(zhì)不易流動并提供充分的溶脹空間，該結(jié)構(gòu)使傳感器內(nèi)部形成穩(wěn)定的氛圍，可以緩沖外界的變化，從而保證Nafion膜傳感器相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這樣克服了純固體電解質(zhì)易受環(huán)境影響的缺點，大大提高了傳感器的可靠性。
        2.2 過濾材料傳感器的過濾材料能夠濾除對電極有毒害作用的污染物，其過濾能力對傳感器的使用壽命有重要影響。傳統(tǒng)的做法是使用活性炭粉末材料，但是由于活性炭的粗裝密度小，少量的活性炭難以起到作用，這也是傳統(tǒng)的電化學傳感器使用壽命短的主要原因；但是增加活性炭用量，又會使傳感器的體積變得臃腫，不利于安裝在探測器中。針對這個問題，我們采用了近年來新興的活性碳纖維材料。因為活性炭纖維其表面遍布微孔，以及可經(jīng)二次加工，成為不同形態(tài)的氈及布狀的材料，與傳統(tǒng)的顆粒炭相比，具有較快的吸附、脫附的速度和更便利的操作維護等優(yōu)點，該材料對有機氣體及惡臭物質(zhì)（如正丁基硫醇等）吸附量比粒狀活性炭（GAC）大幾倍至幾十倍，對無機氣體也有很好的吸附能力，減小了過濾材料的用量，并且易于集成于傳感器中。
2.3 電極材料 CO傳感器的電極主要材料包括催化劑和基體材料。催化劑能加速氣體的反應(yīng)，電極上載有對CO催化反應(yīng)活性高的由鉑、釕、鎳等金屬微粒組成的催化劑，這些金屬作為電化學反應(yīng)的催化劑可加速化學反應(yīng)而本身無變化。在常見國外的CO傳感器中，鉑由于催化活性高而被廣泛使用，本項目也用鉑作為指示電極和對電極的催化劑。電極基體材料的選擇主要考慮材料的化學惰性，不與電解質(zhì)和實際應(yīng)用中可能接觸的化學物質(zhì)反應(yīng)；同時本傳感器中的電極是氣體擴散電極，基體材料要制備成多孔結(jié)構(gòu)，所選材料應(yīng)易于制備多孔薄膜；此外基體材料最好具備憎水性以防止水蒸氣在孔洞中凝結(jié)影響傳感器的正常工作。在上述條件限定下我們最終選擇化學惰性極佳、且具憎水性的聚四氟乙烯（PTFE）作為電極的基體材料。
3、內(nèi)封裝工藝：
        鉑絲與電極插腳結(jié)合的部位是電解液泄漏的一個原因，該部位易受電解質(zhì)溶液的腐蝕導致漏液和在傳感器內(nèi)引入其它金屬離子而影響使用性能。一般的方法是在電極插腳上用電鍍或化學鍍方法制備惰性薄膜，或使用導電塑料進行連接，這些方法增加了制備工藝的難度，我們通過簡單的內(nèi)封裝工藝解決了這個問題。內(nèi)封裝工藝就是通過在鉑絲與電極插腳結(jié)合的部位澆注一薄層耐酸樹脂，該樹脂封裝至少6mm的鉑絲，實驗表明這樣的處理能使電解質(zhì)液無法到達電極插腳端頭，有效防止漏液。
4、兩電極電化學CO傳感器濃度特性曲線：
        研制的CO傳感器靈敏度高，線性好，其輸出特性完全能夠滿足檢測儀器的設(shè)計要求
5、結(jié)束語：
        兩電極電化學CO傳感器，是近年來研究的熱點，屬于國際上先進的傳感器技術(shù)，通過試驗研究，在電極、過濾層、電解質(zhì)等材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，攻克了影響傳感器壽命的諸多技術(shù)難題，研制成功了具有實用意義的新型CO傳感器，它必將在CO氣體檢測領(lǐng)域發(fā)揮積極的作用。

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