电化学式气体传感器的研究进展

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1、电化学式气体传感器的研究进展一、前吞人类文明的高度发展造成的环境破坏是21世纪所面临的一个严肃而尖锐的问题。为了自身的生存发展，对大气环境中污染物的排放进行严格控制成为全世界人民的共同呼声。因此，开发有效的气体检测设备己成为当务之急。1=1前，人们对气体的检测手段主要方法有以下儿种［1］：热导分析（常用于气相色谱分析）、磁式氧分析、电子捕获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、化学发光式气体传感器、化学分析、电化学式传感器。在众多的分析设备中，一些设备，如化学发光式气体分析仪等，虽然具有检测灵敏度高、准确性强等优点，但由于体积庞大，不能用于现场实时监测

2、，而且价格昂贵，超出一般检测用户的承受能力，所以其应用受到很大限制；其它一些分析设备，如半导体气敏传感器（如SnO2,ZnO等）［2・4］,灵敏度虽然比较高，但稳定性较差，工作温度大数在300°C以上，需耍加热装置，一般只能用作报警器。相对而言，电化学式传感器既能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，乂具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测且价格低廉等优点，所以，在目前已有的各类气体检测设备中，电化学传感器占有很重要的地位。二、电化学式气体传感器的分类电化学式气体传感器是一种化学传感器，按照工作原理，一般分为下面几种类型:（1）在保持电极和电解质溶液的界面

3、为某恒电位时，将气体直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出；（2）将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作用于离子电极，把由此产生的电动势作为传感器输出；（3）将气体与电解质溶液反应而产生的电解电流作为传感器输出；（4）不用电解质溶液，而用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质等材料制作传感器。表1汇集了正在实用化的电化学气体传感器的种类、检测原理与性能。特点晅电位勺谚护議电按.电解用水澹飛・通过改啜吒体电按、电鑼质朮碱电服电輛式T体:电扱，水牡虜并枭台镰・不宦用酸'團1电舞用水搭痕.不虽程牡由于落发帝絕植・费金属作用电攪.屢金

4、属射出电接电幕质水瘠撷.电池电说作为鈕输出.电路衙单・険式金属您坤电股和对比电按.有机磁解质、无雌.不恐怛心輛用水搭侦的漬堤.迴不能检洌髙舷吒体（数百don以上）.裁f电扱式电按电&擞北SfO电按.电堺用水潜祿.枣孔枭也第乙斷腹・选律隹奸.世境潮T馆不喪・式电解电说费金属正负电按.电朋顶?MS谨.多扎枭匹氛乙赠.选＜50-但枚潮T假不实.瞬式臓测定严生的电购盪倍电憾用适含低擁度爲邑・大型,360电力.希基表1各种电化学式气体传感器的比较三、各种传感器的工作原理及研究进展（1）恒电位电解式气体传感器恒电位电解式气体传感器的原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位

5、进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对特定气体來说，设定电位由其固有的氧化述原电位决定，但又随电解时作用电极的材质、电解质的种类不同而变化。电解电流和气体浓度Z间的关系如下式表示：式中，I—电解电流；n—每lmol气体产生的电子数；F一法拉第常数；A—气体扩散面积；D—扩散系数；C—电解质溶液中电解的气体浓度；1扩散层的厚度。在同一传感器屮，n、F、A、D及6是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比。自50年代出现Clark电极以来，控制电位电化学气体传感器在结构、性能和用途等方面都得到了很大的发展［5］。国外有关这方

6、面的报道大量出现在70年代，70年代初，市场上就有了SO2检测仪器。以后，又先后出现了CO、CH3COOH、NXOY（氮氧化物）、H2S检测仪器等产^[6-10]o这些气体传感器灵敏度是不同的，一般是H2S>NO>NO2>SO2>CO,U向应时间一般为几秒至几十秒，大多数小于1min[9、12]；它们的寿命相差很大，短的只有半年，而美国GeneralElectric公司生产的CO监测仪实际寿命己近10年。影响这类传感器寿命的主要因素为：电极受淹、电解质干枯、电极催化剂晶体长大、催化剂中毒和传感器使用方式等[13]o以CO气体检测为例来说明这种传感器的结构和工作原理

7、。其基本结构如图1所示[14],在容器内的相对两壁，安置作用电极和对比电极，其内充满电解质溶液构成一密封结构，再在作用电极和对比电极之间加以恒定电位差而构成恒压电路。透过隔膜（多孔聚四氟乙烯膜）的CO气体，在作用电极上被氧化，而在对比电极上02被还原，于是CO被氧化而形成CO2。此时，作用电极和对比电极之间的电流就是（1）式的I,根据此电流值就可知CO气体的浓度。这种方式的传感器可用于检测各种可燃性气体和毒性气体，如H2S、NO、NO2、SO2、HC1、C12、PH3等。（2）伽伐尼电池式气体传感器伽伐尼电池式气体传感器与上述恒电位电解式一样，通过测量电解电流來检

8、测气体浓度