Какво знаете за електрохимичните сензори?

Електрохимичният датчик е вид датчик, който се базира на электрохимичните свойства на анализируемото вещество, за да преобразува химическия размер в електричен размер за датиране и детекция.

Първите електрохимични сензори датират от 1950-те години, когато са били използвани за мониторинг на кислород. А през 1980-те години те са били използвани за мониторинг на широк спектър от токсични газове и са показали добри чувствителност и seleктивnost.

ⅰ. Работен принцип на електрохимичния сензор

Електрохимичните сензори работят чрез химически реакции с измерения газ и произвеждат електрически сигнал, пропорционален на концентрацията на газа. Повечето електрохимични газови сензори генерират ток, линейно пропорционален на концентрацията на газа.

Електрохимичен газов сензор функционира по следния начин: Молекулите на целевия газ, въздеятели с сензора, първо преминават през диафрагма, която предотвратява конденсацията и също така служи като прахен филтър. След това молекулите на газа се дифундират през капиларна тръбка, може би през последващ филтър, и после през хидрофобна мембрана до повърхността на чувствителния електрод. Там молекулите веднага се окисляват или редуцират, пораждаейки или използвайки електрони, което образува електрически ток.

Важно е да се отбележи, че количеството газови молекули, влизящи в сензора по този начин, е ограничено от дифузията през капиларата. Чрез оптимизиране на пътя се получава подходящ elektrichen сигнал според желания диапазон на измерване. Проектът на чувствителния електрод е ключов за постигането на висока реактивност към целевия газ и за подавяне на нежелани реакции към помешкитещи газове. Той включва трифазна система за твърди, течности и газове, а всички те включват химическа идентификация на анализирания газ. Електрохимичната клетка се завършва с така наречения противни електрод, електродът Cont, който балансира реакцията при чувствителния електрод. Йонният ток между електрода Cont и електрода Sen се пренася от електролита в тялото на сензора, докато пътят на тока е осигурен чрез жица, завършваща с пин-конектор. Обикновено в електрохимичните сензори (сензори с 3 електрода) се включва трети електрод. Използва се така наречен референтен електрод, за да се поддържа потенциала на чувствителния електрод на фиксирана стойност. За тази цел и обикновено за работа на електрохимичните сензори е необходима константен потенциален кръг.

ⅱ. Компоненти на електрохимичен сензор

Електрохимичният сензор се състои от следните четири ключови компонента:

1. Проницаеми мембани (също известни като хидрофобни мембани): Тези мембани служат за покритие на датчиците за усвояване (каталитичните електроди) и, в определени случаи, регулират молекулярния вес на газовете, достигащи повърхността на електрода. Обикновено тези мембани се изготвят от филми от Тефлон с ниска порозност. Когато тези мембани се използват за покриване на електродите, датчиките се наричат обработени датчици. Алтернативно може да се използва Тефлонова плевка с висока порозност, заедно с капилар, за регулиране на молекулярния вес на газа, достигащ електродната повърхност. Тази конфигурация се нарича капиларен тип датчик. Освен че осигурява механична защита за датчика, плевката също функционира като филтър, премахвайки нежелани частици. За да се гарантира, че подходящият молекулярен вес на газа ще бъде позволен да минава, е важно да се избере правилния размер на отворите както на мембаната, така и на капилара. Размерът на отворите трябва да позволява достатъчен брой молекули на газа да достигат усвояващия електрод, като същевременно предотвратява изтичането или бързото изсъхване на течната електролитна течност.

2. Електрод: Изборът на материалът за електрода е от съществено значение. Материалът трябва да е каталитичен и способен да извършва полуелектролитна реакция през продължителен период. Обикновено електродите се правят от драгоценни метали, като платина или злато, които ефективно реагират с газови молекули чрез катализа. В зависимост от конструкцията на сензора, трите електрода могат да бъдат изработени от различни материали, за да подпомогнат електролизната реакция.

3. Електролит: Електролитът трябва да може да насърчава електролитните реакции и ефективно да преобразува ионния заряд към електрода. Той трябва също да образува стабилен референтен потенциал с референтния електрод и да е съвместим с материалите, използвани в сензора. Правежкото изпаряване на електролита може да доведе до намаляване на сигнала на сензора, което може да компрометира неговата точност и надеждност.

4. Филтри: Понякога, филтри на скрабъра се поставят пред датчика, за да eliminirat нежелани газове. Изборът на филтри е ограничен, като всеки вид разполага с различен ниво на ефективност. Активният въглерод остава най-широко използван материал за филтриране, което ефективно премахва повечето химикали, освен окислителен въглерод. Чрез внимателния избор на правилното филтриращо средство, електрохимичните датчици постигат подобрена специфичност към целевите им газове.

ⅲ. Класификация на електрохимичен датчик

Има много начини да се класифицират електрохимичните датчици. Според техните различни изходни сигнали, те могат да бъдат разделени на потенциометрични датчици, амперометрични датчици и кондуктометрични датчици.

Според веществата, детектирани от електрохимичните датчици, тези датчици могат да бъдат главно класифицирани като ионни датчици, газови датчици и биодатчици.

ⅳ. Основни свойства и фактори, които оказват влияние

1. Чутливост

Основните фактори, които влияят върху чутливостта, включват: активност на катализатора, входящ въздух, проводимост на електролита и околната температура.

2. Възстановяване на отговор

Основните фактори, които влияят върху скоростта на възстановяване на отговора са активност на катализатора, проводимост на електролита, структура на газовата камера, свойства на газа и т.н.

3. Изборност/Кръстосано вмешване

Основните фактори, които влияят върху изборността, включват типа на катализатора, електролит, бias напрежение, филтър и т.н.

4. Повторяемост/Дългосрочна стабилност

Факторите, които влияят върху повторяемостта, включват: стабилност на структурата на електродите, стабилност на електролита, стабилност на газовия циркул и т.н.

5. Высокотемпературни и нискотемпературни характеристики

Факторите, които влияят върху стабилността при високи и ниски температури, включват: активност на катализатора, стабилност на структурата на електродите и газовите характеристики.

V. Четири основни приложения на електрохимичните сензори

Електрохимичните сензори се използват широко в индустриалните и гражданински области на детекцията на газове. Те могат да детектират озон, формалдехид, въглероден оксид, амоняк, водороден сульфид, диоксид на сулфур, диоксид на азот, кислород и други газове. Често се използват в переносните прибори и в приборите за онлайн мониторинг на газове.

1. Сензор за влажност

Влажността е важен индикатор за въздушната среда, между влажността на въздуха и човешкото тяло има близка връзка с ефекта на испаряването. При висока температура и висока влажност, поради трудностите при испаряването на вода от човешкото тяло, чувстваме удаване. При ниска температура и висока влажност процесът на отмяна на топлина от тялото е интензивен, което лесно може да причини простуда или замразяване. Най-подходящата температура за човешкото тяло е 18~22℃, а относителната влажност – 35%~65% RH. При мониторинга на околната среда и здравето, често се използват инструменти като влажностомер с влажна и суха термоелемента, ръчно завъртан влажностомер и вентилиран влажностомер за определяне на влажността на въздуха.

През последните години има голям брой публикации в литературата за използването на сензори за определяне на влажността на въздуха. Покритите пьезоелектрически кварцови кристали, които се използват за определяне на относителната влажност, се правят като малки кварцови пьезоелектрически кристали чрез фотолитографски и химически етирационни техники, а четири вещества се нанасят върху AT-сечени 10 МHz кварцови кристали, които разполагат с висока масова чувствителност към влажността. Кристалът е резонатор в колебателен цеп, чиято честота варира с масата, и чрез избора на подходящото покритие, сензора може да се използва за определяне на относителната влажност на различни газове. Чувствителността, линейността на отговора, времето за отговор, селективността, хистерезиса и жизнения циклус на сензора зависят от природата на химическите вещества, с които е покрит.

2, Сензор за оксид на азот

Азотният оксид е вид на оксидите на азота, съставен от смесица от газове, често изразяван като NOX. При азотния оксид, химическата стабилност на различните му форми е различна; във въздуха той често се деля на относително химически стабилни моноксид азотен и диоксид азотен, които имат по-голямо значение за охраната на здравето в сравнение с другите форми на азотните оксиди.

При екологичния анализ азотист окис често се отнася до диоксид на азот. Китайският стандартен метод за мониторинг на азотни окиси е цветиметричният метод на натрени етилендиамин хлорид, чутливостта на който е 0.25мг/5мл. Методът за пресмятане на коефициента на преобразуване е влиян от състава на абсорбиращия раствор, концентрацията на диоксид на азот, скоростта на събиране на газа, конструкцията на абсорберната тръба, съществуващи иона и температурата, както и много други фактори, които не са напълно унифицирани. Определение с датчик е нов метод, разработен през последните години.

3, Датчик за сульфид на водород

Сероводородът е безцветен, горюващ газ с особен миризма на подгнили яйца, който е раздразняващ и удавяващ, и вреден за човешкото тяло. Повечето методи използват колориметрия и газова хроматография за определяне на сероводород във въздуха. Определянето на забръзнуванията във въздуха, чиито съдържание често е толкова ниско, че достига нивото mg/m³, е едно от основните приложения на газовите сензори, но полупроводниковите газови сензори не могат да отговарят на изискванията за чутливост и selektivnost за мониторинг на определени забръзнуващи газове в кратък период от време.

Масивът от тънки-филмови сензори с добавка серебър се състои от четири сензора, които едновременно записват концентрациите на двуокис углерод и сероводород, използвайки универсален анализатор базиран на колуметричен титроване и сигнали от масива на полупроводниковите газови сензори. Практиката показва, че тънките филмови сензори с добавка серебър, използвани при 150 °C по начин постоянна температура, са ефективни за мониторинг на съдържанието на сероводород в градския въздух.

4. Датчик на сулфурен диоксид

Сулфурният диоксид е една от основните вещества, които замърсяват въздуха, и разпознаването на сулфурен диоксид във въздуха е регулен елемент при тестовете на въздуха. Приложението на датчици за мониторинг на сулфурния диоксид е показало голяма превъзходност, като се съкращава времето за детекция и се намалява граничната чувствителност. Твърди полимери се използват като ионни електролитни мембраните, с едната страна на мембраната, която съдържа вътрешни електролити за противопоставящия и референтния електрод, а платинов електрод се вмъква от другата страна, за да се образува датчик на сулфурен диоксид. Датчикът е инсталиран в течност потоков клетка и окислява сулфурния диоксид при напрежение от 0,65V. Съдържанието на сулфурния диоксид след това се показва. Устройството за датиране разполага с висока чувствителност на тока, кратко време на отговор, добра стабилност, ниски фонови шумове, линейен обхват от 0,2 ммоль/Л, гранична чувствителност от 8*10-6 ммоль/Л и отношение сигнал/шум от 3.

Сензора не само може да открива диоксид на сульфур във въздуха, но също така може да се използва за откриване на диоксид на сульфур в течности с ниска проводимост. Газочувствителното покритие на сензора за диоксид на сульфур от тънък филм от органически модифицирана силикатна плева е било създадено чрез процеса сол-гел и спин технология. Това покритие показва отлична воспроизводимост и обратимост при определяне на диоксид на сульфур, с бързо време на отговор, по-малко от 20 секунди. Освен това, той демонстрира минимално взаимодействие с други газове и е малко повлиян от промени в температурата и влажността.