主頁 > 技（jì）術文章 > 兩電極電化學CO傳感器的研（yán）製 2024-10-16

兩電極電化學CO傳感器的研製

摘（zhāi）要：用離子導電聚合物（wù）Nafion膜作為電（diàn）解質（zhì）材料，用納米Pt固定在PTFE多孔（kǒng）膜上的方法製備電極的關（guān）鍵（jiàn）技術研製（zhì）出一種新型（xíng）的低功耗、高靈敏度、高可靠性的兩電極電（diàn）化學（xué）CO傳感器。
CO作為大氣汙染物（wù）的主要物質之一，是環境監測控製的重點。隨著城市能（néng）源結構的調整及變化，城市煤氣已進入千家萬戶，以其清潔、方便的特點迅速普及。但由於使用不當或器具不合格，或其他因素造成泄漏，使得CO泄出後造成人員中毒事故（gù）時有（yǒu）發生；燃煤及燃氣熱水器不充分燃燒造成CO的聚集而導（dǎo）致居家人員中毒傷亡也不少見；在工業（yè）領域，CO氣體的生產、製造、應用等也需控製其濃度（dù）範（fàn）圍；在采礦（kuàng）行業，地下礦井的CO氣體也需要（yào）檢測報（bào）警。在環保方麵汽車尾（wěi）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、線性範圍寬，並具有抗幹擾能力強、重（chóng）現性好、穩（wěn）定可靠等優點，是一（yī）種廣泛適合（hé）工業及民（mín）用領域的電（diàn）化學式傳感器。

1、傳感器的結構：
        電化學傳感器有（yǒu）兩電極和三電極結構，主要區（qū）別在於有無參比電極。兩（liǎng）電極CO傳感器沒有參比電極（jí），結構簡單，易於設計（jì）和製造，成本較低適用於低濃（nóng）度CO的檢測和報警；三電極CO傳感器引入參比電極，使傳感器具有較（jiào）大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了製造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價格遠高於兩電極CO傳感器（qì），主要用於工業領（lǐng）域。針對當前我國對廉價民（mín）用CO報警（jǐng）器的迫（pò）切需求，我們選擇了兩電極CO傳感器的整（zhěng）體設計方案。兩電極電化學CO傳感器主要由電（diàn）極、電解液、電解液的保持材料、除（chú）去幹涉氣體的過濾材料、管腳（jiǎo）等（děng）零部件組成。電化學式傳感器的代表（biǎo）性構造
2、主要材料的選擇：
        2.1 電（diàn）解質電（diàn）解質是電化學傳感器電極間（jiān）的導體，是構（gòu）成電池（chí）的重要成分。電化學CO傳（chuán）感器按照電解（jiě）質狀態可分為液（yè）體電解質型、半固態電解質型和（hé）固體電解質型。由於液體電解質易於泄漏和揮發，嚴重影響了傳（chuán）感（gǎn）器的使用壽命，所以目前很少（shǎo）使用。半固態電解質是（shì）介於液態（tài）和固態電解質之（zhī）間的電解（jiě）質，是將一種親水性（xìng）的多孔（kǒng）材料(或稱為燈芯材料)浸泡在（zài）硫酸中來形成的，這就（jiù）要求該材料有很好的耐（nài）酸（suān）腐蝕性質，如聚苯乙烯磺酸膜、玻璃纖維膜等。而固體電解質型電解質代表了傳感器的（de）發展的方向。電化學固態（tài）聚合物電解質型CO傳感器以聚合物中的官能基來傳導（dǎo）離子，由於（yú）能在室溫下工作，並且聚合物可按照設計需要通過化學反應進行改性，便於加工。經比較，固（gù）態聚合（hé）物電解質型結構（gòu）性能更好，更易（yì）於製得（dé）高性能特別是高（gāo）壽命的傳感器。通過試驗研（yán）究（jiū），我們最終選擇了Nafion固態聚合物電解質（zhì）作為兩電極（jí）電化學CO傳感器的電解質（zhì）。為了克服Nafion固體電解質電化學（xué）傳感器在使用時易受外界濕度幹擾、影響使（shǐ）用壽命的缺點,在傳（chuán）感器中設計了主要用玻璃纖維作為吸（xī）收材料填充（chōng）少量液體電解質的（de）儲存室，使液體電解質不易流動並提供充分的溶脹（zhàng）空間，該結構使傳感器內部（bù）形成（chéng）穩定的氛（fēn）圍，可以（yǐ）緩衝外界的變化，從而保（bǎo）證Nafion膜（mó）傳感（gǎn）器相對穩定的工作狀態，這樣克服了純固體電解質易受環境影響的缺點，大大（dà）提高了傳感器的可靠（kào）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汙染物，其過濾能力（lì）對傳感器的（de）使用壽（shòu）命有重要（yào）影響。傳（chuán）統的做法是使用活性炭粉末材料，但是由於活性炭的粗（cū）裝密度小，少量（liàng）的（de）活性炭難以起到作用，這（zhè）也（yě）是傳統（tǒng）的電化學傳感器使用壽命短的（de）主要（yào）原因；但是增加活性炭（tàn）用量，又會使傳感器的體積變得臃腫，不（bú）利於安（ān）裝在探測器中。針（zhēn）對這個問題，我們采用了近年來新興（xìng）的活性碳纖維材料。因為活性（xìng）炭纖維其表麵遍（biàn）布微孔，以及可經二次加工，成為（wéi）不同形態的氈及布狀的材料，與傳統的顆粒炭相比，具有較快（kuài）的吸附、脫附的速度和更便利的操作（zuò）維護等（děng）優點，該（gāi）材料對有機氣體及惡臭物質（如正丁基硫（liú）醇等）吸附量比粒狀活性炭（GAC）大幾倍至（zhì）幾十倍，對無機氣（qì）體也有很好的（de）吸附能力，減小（xiǎo）了過濾材料的用量，並且易於集成於傳感器中。
2.3 電極材料 CO傳感（gǎn）器（qì）的電極主要材料包括（kuò）催化劑和基體（tǐ）材料。催化劑（jì）能加速氣體的反應，電極上載有對CO催化反應活性高的由鉑、釕、鎳等金（jīn）屬微粒組（zǔ）成的催（cuī）化（huà）劑，這些金（jīn）屬作為電化學反應的催化（huà）劑可加速化學反應而本身無變化。在常見國外的CO傳（chuán）感器（qì）中，鉑（bó）由於催化活性高而被廣泛使用，本項目也用鉑作為指示（shì）電極和對電極的催化（huà）劑。電極基體材料的選擇主要考慮材料（liào）的化學惰性，不與電解質和實際應用中可能接觸的化學物質反應；同時本（běn）傳感器中的電（diàn）極是氣體擴散電極，基體材料要製備成多孔結構，所選（xuǎn）材料應易於（yú）製備多孔薄膜；此外基體材料最好具備憎水性（xìng）以防止水蒸氣在孔洞中凝結影響傳感器的正常工作。在上述條件（jiàn）限（xiàn）定下我們最終選擇化學惰性極佳、且具憎（zēng）水性的聚四氟乙烯（PTFE）作為電極的基體材料。
3、內封裝工藝：
        鉑絲與電（diàn）極插腳結合的部位是電解（jiě）液泄漏的一個原（yuán）因，該部位易受電解質溶液的腐蝕導（dǎo）致漏液和在傳感（gǎn）器內引入其它金屬離子而影響使用（yòng）性能。一般的方法（fǎ）是在電極插腳上用電鍍或化學鍍方法製備惰性薄膜，或使（shǐ）用導電塑料（liào）進行連接，這些方法增加了製（zhì）備工藝（yì）的難度，我們通過簡單的內封裝工藝解決了（le）這個問題。內封裝（zhuāng）工藝就是通（tōng）過在鉑絲與電極插腳結合的部位澆注一薄層耐酸樹脂，該樹脂封裝至少（shǎo）6mm的鉑絲（sī），實驗表明這樣（yàng）的處理能使電解質液無法到（dào）達電極（jí）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：
        研製的CO傳（chuán）感器靈（líng）敏度高，線性（xìng）好（hǎo），其輸出特（tè）性完（wán）全能夠滿足檢測儀器的（de）設計要求
5、結束語：
        兩電極電化學CO傳感器，是近年來研究（jiū）的熱點，屬於國際上先（xiān）進的傳感（gǎn）器技術，通過試驗研究（jiū），在電（diàn）極、過（guò）濾（lǜ）層、電解質等材料選擇和（hé）結構的設計中，攻克了影響傳感器壽命的諸（zhū）多技術難題，研（yán）製成功了（le）具有實用（yòng）意義的新型CO傳感器，它必將在CO氣（qì）體檢測領域發揮積極的（de）作用。

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