电流型气体传感器的研究进展

电流型气体传感器的研究进展

2007年 第1期

仪表技术与传感器

Instrument Technique and Sensor2007 No 1

电流型气体传感器的研究进展

徐建波1,周永清2,孙庚志1,马亚杰3,华凯峰1,王玉江1

(1.中国科学院长春应用化学研究所,吉林长春 130022;2.中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸 056027;

3.哈尔滨师范大学呼兰学院,黑龙江哈尔滨 150500)

摘要:气体传感器在生产生活中发挥了重要的作用,它将气体浓度信号转换成电信号直观显示出来,在大气污染防治、生产生活环境检测、医疗卫生等部门广泛应用。文中重点对各类电流型气体传感器的检测机理、结构、材料及实际应用中存在的问题,检测该类气体传感器重要性能、指标进行了阐述,并介绍了一些新型材料在电流型气体传感器的应用以及该类气体传感器的发展趋势。

关键词:电流型气体传感器;发展状况;研究方向

中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2007)01-0005-03

DevelopmentofAmperometricSensingintheGas phase

XUJian bo1,ZHOUYong qing2,SUNGeng zhi1,MAYa jie3,HUAKai feng1,WANGYu jiang1

(1.ChangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China;2.No.718ResearchInstituteofChinaShipbuildingIndustryCorporation,Handan056027,China;

3HulanCollege,HarbinNormalUniversity,Harbin150500,China)

Abstract:Gassensorbecomesmoreandmoreimportantinlives.Itcantransferthesignalofgasconcentrationtoelectricalcurrentoutput,italsoplaysanessentialroleinatmosphereprotection,environmentdetectionandmedicaltreatment.Inthisrevies,itisattemptedtogiveanoverviewofthedetectionmechanism,structure,materials,problemskinapplicationofamperometricsensorsforgaseousspecies,andevaluationofitsproperties.Highlightthenewmaterialsinamperometricgassnsors applicationandrecentdevelopments.Keywords:amperometricsensors;researchingprogress;developingtrend0 引言

电化学式传感器既能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性,又有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测又价格低廉等优点。所以,在目前已有的各类气体检测方法中,电

化学传感器占有很重要的地位,各种基于电阻、电位或氧化还原电流转化的电化学传感器得到广泛的研究。

目前,广泛应用的有半导体气体传感器,即当气体接触到加热的金属氧化物SnO2、Fe2O3、ZnO2等,电阻值就增大或减小。这类传感器主要应用于还原性气体、城市排放气体等的检测。半导体气体传感器结构是全固态,因此传感器寿命长,使用过程中衰降小,构造与电路简单易于工业化生产[1]。但其选择性与灵敏度低,而且能耗大。基于电位变化的 型固态氧传感器在现代汽车中得到广泛应用的,但其工作原理不适合其他气体检测。而控制电位电解型即电流型气体传感器,由于其体积小,测量精度高,适用于现场直接监测等优点而受到广泛重视。该类传感器可检测气体浓度范围之宽(由10-9直至百分浓度),应用范围很广。电流型气体传感器通常采用液体或凝胶电解质,因此受到使用寿命的限制,但是通常具有较高的选择性和灵敏度,有望推广应用。

1 电流型气体传感器的发展历程1 1 Clark氧传感器

基于电池构造的电流型气体传感器由工作电极、参比电

图1 电流型气体传感器的基本结构

极,对电极以及电解质构成,如图1所示。

电解质起到提供反应场所、传递电流、去除离子型产物的作用,电解质有时也参与电极反应。电解质通常是由包含H

或OH-的水溶液组成。在要求不严格的传感器中,参比电极与对电极可以做在一个电极上。对于气体传感器研究的关键在于工作电极,它的一侧与气体接触另一侧与电解质接触,气体在发生反应之前必须能够完全溶解在电解之中或者是所谓的具有高效的气、固、液三相界面。

电流型气体传感器的发展可以追溯到1953年的Clark电极用于溶解氧的检测。Clark电极是一种封闭式氧电极,由疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜扩散到电极内,而待测溶液中的其他杂质不能透过,这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而中毒。图2为Clark电极结构示意图。

由图2可见铂旋转圆盘电极(工作电极)与对电极/参比电,溶液

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InstrumentTechniqueandSensor

Jan 2007

中溶解的氧通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层中,再通过扩散到铂电极表面进行还原。在Clark电极中存在有两层膜:一是透气膜,它将电极、电解液与待测溶液分开;二是液膜,大约5~15 m.透气膜一般选用10~20 m厚的聚四氟乙烯膜。Clark电极主要用于溶氧的检测,也常用于游泳池内氯气检测,这种结构的传感器在原理也可用于气体检测,但由于液膜的存在,气体要到达电极表面必须经过液相扩散,因此气体扩散到电极表面的速度很慢,气体在液膜中的扩散成为整个电极过程的控制步骤,使传感器的响应时间较长,同时溶剂的蒸发使液膜厚度发生改变,

因此很难得到实际应用。

图4 引进气体扩散电极的电流型传感器结构示意图

目前,气体扩散电极在电化学气体传感器中的应用较为广泛。1969年,Pt/空气参比气体扩散电极的应用,使传感器的结

构大为简化[2]。20世纪70年代初期,研究者们已经利用它开发了乙醇、CO、氮氧化物、H2S、SO2[3]等多种电流型传感器。1 3 固体聚合物电解质电极在电流型传感器中的应用在20世纪80年代中期,固定在离子交换膜上的新型电极即固体聚合物电解质(SPE)电极应用于电流型气体传感器。其中杜邦公司生产的全氟磺酸离子交换膜-Nafion膜,由于其具有高的质子导电性、高的水扩散能力、气体渗透能力和好的电化学稳定性而成为电流型传感器研究的热点。其中电极材料主要是通过在Nafion膜上还原沉积相应的金属盐类而制得。通常采用两种方法:一是将Nafion膜放在还原剂与金属盐溶液之间利用扩散还原(异侧);另一种方法是先将Nafion膜浸入到金属盐溶液中进行离子交换后再还原(同侧)。

在固体电解质传感器的设计中,如图5所示,工作电极直接面向待测物质而Nafion膜与电解质溶液直接接触,这种结构最初应用于燃料电池但很快被传感器采用。固体电解质的引入使被检测的样本与对电极,参比电极室分开,这就避免了检测物种对其他电极的污染。从而使某些不适合电化学测量的非导电性的溶液,气体等可以使用固体电解质传感器进行检测。在固体电解质传感器中被测试的物质、工作电极、固体电解质三相界面的性质对传感器的信号有决定性影响。这些性能与固体电解质的种类,物理化学性质,电极的材料,预处理的条件密切相关。

图2 Clark电极结构示意图

1 2 气体扩散电极的引入

燃料电池技术的引进使电流型传感器有了突破性的发展。在60年代末期展开了对多孔电极的研究,待测气体通过扩散进入到电极表面,在电解质溶液中发生反应,这样的电极被称为气体扩散电极(GDE)。气体扩散电极具有高效的气、固、液三相界面,有足够的气孔使被测气体容易传递到电极内部各处,溶解于覆盖在催化剂表面并与整体溶液相连通的薄层液膜中,因而被测气体很容易在催化剂表面产生电化学氧化或还原。气体扩散电极主要有3种结构:双层电极、微孔隔 …… 此处隐藏：8195字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……