CN110749637A - 一种基于半固态电解质的co电化学气体传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于半固态电解质的co电化学气体传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，所述传感器包括：传感器壳体内依次放置的工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，以及壳体外的引脚；传感器壳体上设置有顶盖，所述传感器还包括位于顶盖内侧的活性炭材料。本发明提供的一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器及其制备方法，能延长传感器的寿命。

Description

一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于CO气体传感器技术领域，具体涉及一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器及其制备方法。
背景技术
CO是一种无色无味的有毒气体，同时也是一种易燃易爆气体，与空气混合能形成***性混合物，遇明火、高温能引起燃烧***，严重危害着工矿业人员的安全，因此，如何高效、快速的检测CO气体成为重要的一项课题。
电化学CO气体传感器具有灵敏度高、重复性好、响应速度快、寿命长等优点而广泛用于工厂、矿山、家庭等防灾报警。由于CO检测在日常生产、生活中具有重要作用。因此，电化学CO传感器的研究备受关注。电化学CO传感器的灵敏度和响应时间主要取决于工作电极和对电极，提高贵金属催化剂的活性则是技术关键，而传感器的寿命则是由电解质决定的，如何选择合适的电解质延长传感器的寿命，是目前科研人员正努力研究的。目前传统电化学CO传感器多基于液态电解质型传感器，但是液态电化学CO气体传感器尚存在电解液易挥发、易泄露同时腐蚀电路的缺点，另外基于全固态电解质的CO传感器虽然不存在电解液泄露的问题，但是其易受外界环境影响尤其是湿度影响。现有技术中，这两种类型的传感器都会造成测量数据产生偏差。
因此，有必要提供一种新的电解质的CO气体传感器以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于半固态的电解质的CO气体传感器。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，所述传感器包括：传感器壳体内依次放置的工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，以及壳体外的引脚；
传感器壳体上设置有顶盖，所述传感器还包括位于顶盖内侧的活性炭材料。
进一步的，所述顶盖上设有气孔，所述传感器还包括位于粘附顶盖外侧的防水透气膜。
进一步的，所述工作电极、对电极或参比电极都包括20％～60％的贵金属和碳材料，所述贵金属为铂、钌、铱、金和银中的至少一种。
进一步的，所述亲水性多孔材料为纤维素膜。
进一步的，所述隔膜为聚苯乙烯磺酸膜。
进一步的，所述固体高聚物电解质为全氟磺酸共聚物膜。
进一步的，所述酸性电解液主要为H2SO4，其浓度为3～9mol/L。
进一步的，所述传感器壳体为PC、ABS、PP材料中的一种或几种。
本发明还提供一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)以碳纸或PTFE为基底，利用超声波喷涂或丝网印刷方式在其亲水的一面负载20％～60％的Pt/Ru/Au/Ag中的至少一种并与碳材料复合得到催化材料，制备完成后的工作电极、对电极以及参比电极按照传感器固定尺寸进行裁剪；
2)对固体高聚物电解质进行预处理，在80℃的5％H2O2溶液中煮1h，在80℃的H2SO4溶液中煮1h，在去离子水中煮1h后，放入去离子水中备用；
3)在传感器壳体内依次放置工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，并将工作电极、对电极、参比电极与引脚处的导线相连形成流路；
4)将防尘膜固定在顶盖外侧，并将活性炭材料置于顶盖内侧，利用超声波焊接将顶盖与壳体进行封装。
本发明的效果在于，通过全氟磺酸共聚物膜与吸液材料的混合使用，在传感器壳体底部贮存一小部分吸附有H2SO4的吸液材料，同时在接触对电极以及参比电极表面放置有全氟磺酸共聚物膜，形成中继作用，与底部的吸液材料配合形成一种离子传递作用，从而能加快反应的速度，另一方面，随着反应时间的延长，电解液损耗后，固体高聚物电解质全氟磺酸共聚物膜可以自身释放离子，维持整个反应继续进行，延长传感器的寿命。
附图说明
图1为基于半固态电解质的CO气体传感器的结构示意图；
图2为基于半固态电解质的CO气体传感器的响应时间性能示意图。
图中：1-防水透气膜；2-顶盖；3-活性炭材料；4-工作电极；5-隔膜；6-固体高聚物电解质；7-对电极；8-参比电极；9-亲水性多孔材料；10-引脚。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1为基于半固态电解质的CO气体传感器的结构示意图。本发明提供的一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器包括：传感器壳体内依次放置的工作电极4、隔膜5、固体高聚物电解质6、对电极7、参比电极8和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料9，以及壳体外的引脚10，引脚10处的导线置于工作电极4、参比电极8以及对电极7处形成回路。
传感器壳体上设置有顶盖2，所述传感器还包括位于顶盖2内侧的活性炭材料3。
所述顶盖2上设有气孔，所述传感器还包括位于粘附顶盖2外侧的防水透气膜1。
所述工作电极4为贵金属并复合一些碳材料。具体的，包括20％～60％的贵金属和碳材料，所述贵金属为铂、钌、铱、金和银中的至少一种。
所述对电极7为贵金属并复合一些碳材料。具体的，包括20％～60％的贵金属和碳材料，所述贵金属为铂、钌、铱、金和银中的至少一种。
所述参比电极8为贵金属并复合一些碳材料。具体的，包括20％～60％的贵金属和碳材料，所述贵金属为铂、钌、铱、金和银中的至少一种。
所述亲水性多孔材料9为纤维素膜。
所述隔膜5为聚苯乙烯磺酸膜。
所述固体高聚物电解质6为全氟磺酸共聚物膜。
所述酸性电解液主要为H2SO4，其浓度为3～9mol/L。
所述传感器壳体为PC、ABS、PP材料中的一种或几种。
本发明还提供一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)利用超声波喷涂或丝网印刷方式，以碳纸或PTFE(聚四氟乙烯)为基底，在其亲水的一面负载20％～60％的Pt/Ru/Au/Ag中的至少一种并与碳材料复合，制备完成后的工作电极、对电极以及参比电极按照传感器固定尺寸进行裁剪；
2)对固体高聚物电解质进行预处理，在80℃的5％H2O2溶液中煮1h，去除相应的有机杂质，在80℃的H2SO4溶液中煮1h，使全氟磺酸共聚物膜质子化，在去离子水中煮1h后，放入去离子水中备用；
3)在传感器壳体内依次放置工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，并将工作电极、对电极、参比电极与引脚处的导线相连形成流路；
其中，固体高聚物电解质提供反应所需的离子，通过全氟磺酸共聚物膜与吸液材料的混合使用，在传感器壳体底部贮存一小部分吸附有H2SO4的吸液材料，同时在对电极以及参比电极表面放置有全氟磺酸共聚物膜，形成中继作用，与底部的吸液材料配合形成一种离子传递作用，从而能加快反应的速度，另一方面，随着反应时间的延长，电解液损耗后，固体高聚物电解质全氟磺酸共聚物膜可以自身释放离子，维持整个反应继续进行，延长传感器的寿命。
4)将防尘膜固定在顶盖外侧，并将活性炭材料置于顶盖内侧，利用超声波焊接将顶盖与壳体进行封装。
对本发明CO传感器进行性能测试，在一个具体的实施例中，选用400ppm的CO气体进行性能检验，通气流量为0.8L/min，通气后开始计时，测试结果如图2所示。由图可以看出该传感器对CO的响应时间约为20s，响应速度较快。同时从组装完成开始进行稳定性测试，经过半年的测试，该传感器性能稳定，6个月的时间其性能只衰减了2％，表明该传感器具有较好的寿命。
区别于现有技术，本发明提供的一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器及其制备方法，将固体高聚物电解质以及吸附酸性电解液的亲水性多孔材料进行混合使用可以更好地提升CO电化学气体传感器的响应速度提高传感器的寿命。其中，固体高聚物电解质解决了液态电解质目前存在的主要问题，如易干涸、易泄露，难密封等缺点，但是固体高聚物电解质容易受到环境温湿度的影响，通过利用吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，贮存一定的酸性电解液来稳定固体高聚物电解质，同时在吸附电解液的亲水性多孔材料环境里一方面固体高聚物电解质离子转移能力会加强，另一方面其自身也能在传感器使用过程中自发补充电解液，从而更好的实现传感器对CO的快速响应以及较长的使用寿命。
本领域技术人员应该明白，本发明所述一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器及其制备方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述传感器包括：
传感器壳体内依次放置的工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，以及壳体外的引脚；
传感器壳体上设置有顶盖，所述传感器还包括位于顶盖内侧的活性炭材料。
2.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述顶盖上设有气孔，所述传感器还包括位于粘附顶盖外侧的防水透气膜。
3.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述工作电极、对电极或参比电极都包括20％～60％的贵金属和碳材料，所述贵金属为铂、钌、铱、金和银中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述亲水性多孔材料为纤维素膜。
5.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述隔膜为聚苯乙烯磺酸膜。
6.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述固体高聚物电解质为全氟磺酸共聚物膜。
7.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述酸性电解液主要为H2SO4，其浓度为3～9mol/L。
8.根据权利要求1所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器，其特征在于，所述传感器壳体为PC、ABS、PP材料中的一种或几种。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于半固态电解质的CO电化学气体传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1)以碳纸或PTFE为基底，利用超声波喷涂或丝网印刷方式在其亲水的一面负载20％～60％的Pt/Ru/Au/Ag中的至少一种并与碳材料复合，制备完成后的工作电极、对电极以及参比电极按照传感器固定尺寸进行裁剪；
2)对固体高聚物电解质进行预处理，在80℃的5％H2O2溶液中煮1h，在80℃的H2SO4溶液中煮1h，在去离子水中煮1h后，放入去离子水中备用；
3)在传感器壳体内依次放置工作电极、隔膜、固体高聚物电解质、对电极、参比电极和吸附酸性电解液的亲水性多孔材料，并将工作电极、对电极、参比电极与引脚处的导线相连形成流路；
4)将防尘膜固定在顶盖外侧，并将活性炭材料置于顶盖内侧，利用超声波焊接将顶盖与壳体进行封装。
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