兩電極電化學ＣＯ傳感器的研制

摘要:用離子導電聚合物Nafion膜作為電解質材料，用納米Pt固定在PTFE多孔膜上的方法制備電極的關鍵技術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。

關鍵詞:兩電極電化學CO傳感器

0 引言

CO作為大氣污染物的主要物質之一，是環境監測控制的重點。隨著城市能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;在工業領域，CO氣體的生產、制造、應用等也需控制其濃度范圍;在采礦行業，地下礦井的CO氣體也需要檢測報警。在環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、重現性好、穩定可靠等優點，是一種廣泛適合工業及民用領域的電化學式傳感器。

1 傳感器的結構

電化學傳感器有兩電極和三電極結構，主要區別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結構簡單，易于設計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警;三電極CO傳感器引入參比電極，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，主要用于工業領域。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造如圖1所示。

2 主要材料的選擇

2.1 電解質 電解質是電化學傳感器電極間的導體，是構成電池的重要成分。電化學CO傳感器按照電解質狀態可分為液體電解質型、半固態電解質型和固體電解質型。由于液體電解質易于泄漏和揮發，嚴重影響了傳感器的使用壽命，所以目前很少使用。半固態電解質是介于液態和固態電解質之間的電解質，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，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發展的方向。電化學固態聚合物電解質型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計需要通過化學反應進行改性，便于加工。經比較，固態聚合物電解質型結構性能更好，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固態聚合物電解質作為兩電極電化學CO傳感器的電解質。為了克服Nafion固體電解質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，在傳感器中設計了主要用玻璃纖維作為吸收材料填充少量液體電解質的儲存室，使液體電解質不易流動并提供充分的溶脹空間，該結構使傳感器內部形成穩定的氛圍，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，以及可經二次加工，成為不同形態的氈及布狀的材料，與傳統的顆粒炭相比，具有較快的吸附、脫附的速度和更便利的操作維護等優點，該材料對有機氣體及惡臭物質(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，電極上載有對CO催化反應活性高的由鉑、釕、鎳等金屬微粒組成的催化劑，這些金屬作為電化學反應的催化劑可加速化學反應而本身無變化。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，不與電解質和實際應用中可能接觸的化學物質反應;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構，所選材料應易于制備多孔薄膜;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 內封裝工藝

鉑絲與電極插腳結合的部位是電解液泄漏的一個原因，該部位易受電解質溶液的腐蝕導致漏液和在傳感器內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，我們通過簡單的內封裝工藝解決了這個問題。內封裝工藝就是通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6mm的鉑絲，實驗表明這樣的處理能使電解質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計要求，見圖2

5 結束語

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，通過試驗研究，在電極、過濾層、電解質等材料選擇和結構的設計中，攻克了影響傳感器壽命的諸多技術難題，研制成功了具有實用意義的新型CO傳感器，它必將在CO氣體檢測領域發揮積極的作用。