電流型電化學氣體傳感器電解液的研發(fā)探析

摘 要：文章根據(jù)電流型電化學氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。依據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，和水溶液電解液相比，用離子液體作為電解液具有電導率高、電化學窗口寬和不揮發(fā)等各種優(yōu)點，同時具備離子液體以及聚合物電解質(zhì)的各種優(yōu)點。目前，我國對有機溶劑作電流型電化傳感器的研究還剛剛起步，它是極具利用前景的。

關鍵詞：電流型；電化學氣體；傳感器；電解液

最近幾年，世界的環(huán)境污染尤為嚴重，隨著人們現(xiàn)在對環(huán)保的越來越重視，對那些有毒、有害的氣體檢測都提出了相當高的要求。所以，開發(fā)出一套有效的氣體檢測設備已經(jīng)越來越受到國內(nèi)國外專家和學者的高度重視，而且成為了競相研發(fā)的重點項目之一。而電流型電化氣體傳感器則具備測量的精度高、檢測的范圍廣且價格低等各種優(yōu)點，非常受到人們的關注。

對于電流型電化氣體傳感器的壽命而言，最主要的是和電解液有密切聯(lián)系，迄今為止，水溶液是最常見的一種電化學氣體傳感器的電解溶液，但這其中存在很大一個問題，那就是隨著時間的不斷增加，里面的水分會逐漸蒸發(fā)，慢慢出現(xiàn)干涸，從而影響整個傳感器的壽命，它的使用壽命通常只有1-2年。所以，怎樣合理選擇一種合適的電解液，來維持電流型電化學氣體傳感器的使用壽命，是一個備受關注的問題。

1 水溶液電解液

在電化學氣體傳感器中，使用的最為廣泛、最為普遍的一種電解液就是水溶液電解液，這種電解液具有品種多樣、價格便宜、使用方便且性能較好等多種優(yōu)點。水溶液電解液分為酸性、中性以及堿性三種。

1.1 堿性電解液

目前有很多氣體，比如氨氣在堿性的電解液中就很容易被氧化，不需要較貴的金屬去做催化劑。傳統(tǒng)電流型電化學氨氣傳感器的研究主要集中在堿性電解液中，例如氫氧化鈉以及氫氧化銫等中氨電催化氧化方面，在水溶液電解液中，高濃度的氫氧化鈉可以幫助電極反應。但是堿性的電解液非常容易吸收空氣中的二氧化碳，形成碳酸鹽，徹底改變電解液中的組分，這樣就會讓它的性能逐漸下降。隨著碳酸鹽濃度的不斷增多，非常容易沉積和破壞工作中的電機結(jié)構(gòu)，最后使電流型電化傳感器徹底失效。所以，通常情況下，堿性的電解液并不適合做傳感器的電解液。

1.2 酸性電解液

酸性電解液在傳感器中屬于一種使用較為廣泛的電解液，它具有不容易結(jié)晶的優(yōu)點，所以，此類傳感器的使用壽命會比較長?？墒窍癜睔膺@樣的氣體，并不能夠在酸性電解液中被氧化。所以，酸性電解液在傳感器電解液中的利用也受到了相當大的限制。最主要的原因還是因為酸性電解液的水分會慢慢蒸發(fā)，從而影響傳感器的使用壽命。這種傳感器的壽命一般只有1-2年不等。

1.3 中性電解液

為了更好的解決氨氣在酸性電解液中不能被氧化的問題，通常情況下會使用到中性電解液。很多學者研究了在中性介質(zhì)中，用氨氣的可能性，在氨氣傳感器中，用KCI溶液作為電解液，發(fā)現(xiàn)在選定好的工作點位下，傳感器的電流以及噪音都變得非常小，體現(xiàn)了較好的線性以及重線性關系。有學者發(fā)現(xiàn)，在次氯酸鈉中性電解液中，金屬元素對氨氧化具備很好的電催化活性以及較好的選擇性。但在中性電解液里，鹽的溶解度會比減和酸小很多，極為容易在電極上產(chǎn)生晶體，從而嚴重破壞電極的結(jié)構(gòu)，使傳感器的性能慢慢下降。所以，用鹽溶液來做電解液的傳感器壽命比用酸性電解液作溶液傳感器的壽命還要短。

2 固體聚合物電解

目前，美國生產(chǎn)出了全氟磺酸離子交換膜，這種全氟磺酸離子交換膜具備化學穩(wěn)定性、離子導電性以及搞機械強度等各種優(yōu)點，早已在水電解以及燃料電池等各方面得到了全面的利用?？紤]到這種固體電解質(zhì)在電化傳感器中的利用可以有效避免水溶液電解液的干涸問題，所以在對全氟磺酸離子交換膜用作電流氣體傳感器的固體電解方面做出了相當大的研究，在全氟磺酸離子交換膜中，H+的移動必須要在有水的情況下才得以實現(xiàn)，其中一個H+的移動要伴隨0.7個水分子的移動，要保持整個膜中含有一定的水分是非常有難度的，所以，用全氟磺酸離子交換膜的固體電解質(zhì)傳感器比全液態(tài)的傳感器更加容易失去水分而導致干涸。但同時有報道指出，在全氟磺酸離子交換膜中適當加入濃硫酸或者磷酸，可以通過濃酸吸收空氣中的水分，使全副磺酸離子膜保持一定的水分，這樣可以讓整個傳感器相對穩(wěn)定。但是，在全副磺酸離子膜中加多少濃酸很難控制，而且這種密封也非常之困難，如果在中途發(fā)生泄漏，將嚴重腐蝕整個電子線路，所以，全副磺酸離子膜傳感器迄今為止一直沒有得到成功的實例。

3 離子液體的電解液

離子液體也叫做室溫熔融鹽，通常是由有機陽離子以及陰離子共同組成的，在室溫下以液態(tài)呈現(xiàn)的鹽類化合物。用離子液體做電解有很多優(yōu)點，比如：

3.1 液體的溫度范圍比較廣，從低于或者接近室溫至300℃范圍，它具有良好的物理以及化學穩(wěn)定性。

3.2 這種液體的蒸汽壓低，不容易被揮發(fā)，不存在水電解干涸以及結(jié)晶等各種問題。

3.3 整個離子的電導率比較高，電化學的窗口很寬，且具有較大的可以調(diào)控性。它具有低毒，甚至無毒等優(yōu)點。

這種研究早已和BAE工程技術傳感器研發(fā)部共同研制了，以離子液體為電解液的電流型電化學氣體傳感器，而且已經(jīng)開始批量生產(chǎn)。這種響應時間以及回零時間都會比氯化鋰作為電解液的傳感器好許多。

但是在用離子液體作為電解液的同時，它和一般的水溶液電解液具有不同，對于水溶液電解液而言，只要當傳感器密封好之后，就可以加入這種電解液，所以密封較為容易，而在用離子液體作為電解液的時候，必須要把離子液體電解液和電極等排布好，最后再一起密封，組裝成傳感器，所以密封時具有一定的難度。假如把離子液體固定到整個聚合物中，所得到的離子液體以及聚合物就具備了二者的優(yōu)點，一是這種電解質(zhì)擁有固體電解質(zhì)的性質(zhì)，避免了離子液體密封的問題。除此之外，這種電解質(zhì)提高了聚合物離子的導電性能。

在整個聚合物中加入離子液體基本上可以分成三類：

（1）單個在離子液體中聚合所得到的電聚合物。

（2）單個分子上所引入離子液體結(jié)構(gòu)之后的聚合物，可以往里面加入無機鹽，增加它的導電性。

（3）用全氟化離子聚合物來吸入離子液體。

參考文獻

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