Was wissen Sie über elektrochemische Sensoren?

Der elektrochemische Sensor ist eine Art von Sensor, der auf den elektrochemischen Eigenschaften des Analyten basiert, um die chemische Größe in eine elektrische Größe umzuwandeln, um sie wahrzunehmen und zu detektieren.

Die ersten elektrochemischen Sensoren gehen auf die 1950er Jahre zurück, als sie zur Sauerstoffüberwachung verwendet wurden. Und in den 1980er Jahren wurden sie verwendet, um eine Vielzahl toxischer Gase zu überwachen und zeigten eine gute Empfindlichkeit und Selektivität.

ⅰ. Funktionsprinzip des elektrochemischen Sensors

Elektrochemische Sensoren arbeiten, indem sie chemisch mit dem zu messenden Gas reagieren und ein elektrisches Signal erzeugen, das proportional zur Gas-Konzentration ist. Die meisten elektrochemischen Gassensoren erzeugen einen Strom, der linear proportional zur Gas-Konzentration ist.

Ein elektrochemischer Gassensor funktioniert wie folgt: Die Zielgasmoleküle, die mit dem Sensor in Kontakt kommen, passieren zunächst eine Diaphragm, die Kondensationsbildungen verhindert und auch als Staubfilter dient. Anschließend diffundieren die Gasmoleküle durch einen Kapillarrohr, eventuell durch einen weiteren Filter, und dann durch eine hydrophobe Membran zur Oberfläche der Messelektrode. Dort werden die Moleküle sofort oxidiert oder reduziert, wodurch Elektronen erzeugt oder verbraucht werden und ein elektrischer Strom entsteht.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Menge an Gasmolekülen, die auf diese Weise in den Sensor eintreten, durch die Diffusion durch die Kapillare begrenzt wird. Durch die Optimierung des Weges wird ein angemessenes elektrisches Signal entsprechend des gewünschten Messbereichs erhalten. Die Gestaltung der Mess_elektrode ist entscheidend, um eine hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber dem Zielgas zu erreichen und unerwünschte Reaktionen auf störende Gase zu unterdrücken. Es handelt sich um ein dreistufiges System für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, und alle involvieren die chemische Identifizierung des Analyt-Gases. Die elektrochemische Zelle wird durch die sogenannte Gegen_electrode, die Cont-Elektrode, abgeschlossen, welche die Reaktion an der Mess_electrode ausgleicht. Der ionische Strom zwischen der Cont-Elektrode und der Sen-Elektrode wird durch das Elektrolyt innerhalb des Sensors transportiert, während der Stromweg durch einen Draht bereitgestellt wird, der an einem Steckverbinder endet. Eine dritte Elektrode wird normalerweise in elektrochemischen Sensoren (3-Elektroden-Sensoren) enthalten. Eine sogenannte Referenzelektrode wird verwendet, um das Potential der Mess-elektrode auf einen festen Wert zu halten. Dazu und normalerweise für den Betrieb von elektrochemischen Sensoren wird eine konstante Potenzialschaltung benötigt.

ⅱ. Komponenten eines elektrochemischen Sensors

Der elektrochemische Sensor besteht aus den folgenden vier Schlüsselkomponenten:

1. Atemaktive Membranen (auch bekannt als hydrophobe Membranen): Diese Membranen dienen dazu, die messenden (katalytischen) Elektroden zu bedecken und in bestimmten Fällen das Molekülgewicht der Gase zu regulieren, die die Elektrodenoberfläche erreichen. Üblicherweise werden diese Membranen aus Teflon-Folien mit geringer Porosität hergestellt. Wenn diese Membranen zur Bedeckung der Elektroden verwendet werden, werden die Sensoren als beschichtete Sensoren bezeichnet. Alternativ kann eine Teflon-Folie mit hoher Porosität zusammen mit einem Kapillarrohr verwendet werden, um das Molekülgewicht des Gases zu steuern, das die Oberfläche des Elektroden erreicht. Diese Konfiguration wird als Kapillartyp-Sensor bezeichnet. Neben dem mechanischen Schutz des Sensors dient die Folie auch als Filter, indem sie unerwünschte Partikel entfernt. Um sicherzustellen, dass das richtige Molekülgewicht des Gases durchgelassen wird, ist es entscheidend, die richtige Porengröße sowohl für die Membran als auch für das Kapillarrohr auszuwählen. Die Porengröße muss ausreichend viele Gasmoleküle zum messenden Elektroden zulassen, während gleichzeitig ein Durchfließen oder ein schnelles Austrocknen des flüssigen Elektrolyten verhindert wird.

2. Elektrode: Es ist entscheidend, das Elektrodenmaterial sorgfältig auszuwählen. Das Material sollte katalytisch sein und in der Lage sein, eine halbelektrolytische Reaktion über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Typischerweise werden Elektroden aus Edelmetallen wie Platin oder Gold hergestellt, die effizient mit Gasmolekülen durch Katalyse reagieren. Je nach Sensor-Design können die drei Elektroden aus unterschiedlichen Materialien bestehen, um die Elektrolyse-Reaktion zu erleichtern.

3. Elektrolyt: Der Elektrolyt muss in der Lage sein, elektrolytische Reaktionen zu ermöglichen und den ionischen Ladungstransfer effizient an die Elektrode weiterzuleiten. Er muss außerdem eine stabile Referenzspannung mit der Referenzelektrode bilden und mit den im Sensor verwendeten Materialien verträglich sein. Darüber hinaus kann eine schnelle Verdunstung des Elektrolyten zu einer Schwächung des Sensorsignals führen, was möglicherweise seine Genauigkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

4. Filter: Gelegentlich werden Schrubberfilter vor dem Sensor positioniert, um unerwünschte Gase zu eliminieren. Die Auswahl an Filtern ist begrenzt, wobei jedes Typs eine unterschiedliche Effizienz aufweist. Aktivkohle stellt das am weitesten verbreitete Filtermaterial dar, das die meisten Chemikalien effektiv filtert, jedoch Kohlenmonoxid nicht einschließt. Durch sorgfältige Auswahl des passenden Filtermediums erreichen elektrochemische Sensoren eine gesteigerte Selektivität gegenüber ihren Zielgasen.

ⅲ. Klassifizierung von Elektrochemischen Sensoren

Es gibt viele Möglichkeiten, elektrochemische Sensoren zu klassifizieren. Abhängig von ihren variierenden Ausgangssignalen können sie in potentiometrische Sensoren, amperometrische Sensoren und LeitfähigkeitsSENSOREn unterteilt werden.

Gemäß den durch elektrochemische Sensoren erfassten Stoffen können diese hauptsächlich in Ionen-Sensoren, Gas-Sensoren und Biosensoren unterteilt werden.

ⅳ. Hauptmerkmale und Einflussfaktoren

1. Empfindlichkeit

Die Hauptfaktoren, die die Empfindlichkeit beeinflussen, umfassen: Katalysatoraktivität, Luftaufnahme, Elektrolyt-Leitfähigkeit und Umgebungstemperatur.

2. Antwortwiederherstellung

Die Hauptfaktoren, die die Geschwindigkeit der Antwortwiederherstellung beeinflussen, sind Katalysatoraktivität, Elektrolyt-Leitfähigkeit, Gasraumstruktur, Gas-Eigenschaften usw.

3. Selektivität/Kreuzstörung

Die Hauptfaktoren, die die Selektivität beeinflussen, umfassen den Katalysator-Typ, Elektrolyt, Bias-Spannung, Filter usw.

4. Wiederholgenauigkeit/Langzeitstabilität

Faktoren, die die Wiederholgenauigkeit beeinflussen, umfassen: Stabilität der Elektrodenstruktur, Elektrolyt-Stabilität, Stabilität des Gaskreises usw.

5. Hoch- und Niedrigtemperaturleistung

Faktoren, die die Stabilität bei hohen und niedrigen Temperaturen beeinflussen, umfassen: Katalysatoraktivität, Stabilität der Elektrodenstruktur und Gascharakteristiken.

V. Vier Hauptanwendungen von elektrochemischen Sensoren

Elektrochemische Sensoren werden im industriellen und zivilen Bereich der Gasdetektion weit verbreitet eingesetzt. Sie können Ozon, Formaldehyd, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Sulfioxid, Stickstoffdioxid, Sauerstoff und andere Gase erkennen. Sie werden häufig in tragbaren Geräten und in Gas-Online-Monitoring-Instrumenten verwendet.

1. Feuchtigkeitssensor

Die Luftfeuchtigkeit ist ein wichtiger Indikator der Luftumgebung, zwischen der Feuchtigkeit der Luft und dem menschlichen Körper besteht ein enger Zusammenhang in Bezug auf die Verdunstungswärme. Bei Hochtemperaturen und hoher Feuchtigkeit führt die Schwierigkeit des Wasserverdunstens im menschlichen Körper zu einem stickigen Gefühl. Bei Niedrigtemperaturen und hoher Feuchtigkeit verläuft der Wärmeverlust des Körpers intensiver, was Erkältungen oder Frostbeulen begünstigt. Die für den menschlichen Körper am besten geeignete Temperatur liegt bei 18~22°C, mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 35%~65% RH. Im Bereich der Umwelt- und Gesundheitsüberwachung werden häufig Instrumente wie feuchte Kugel-Thermohygrometer, Handbetätigte Hygrometer und Ventilationshygrometer verwendet, um die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen.

In den letzten Jahren gab es eine große Anzahl an Literaturberichten zur Verwendung von Sensoren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit. Die für die Bestimmung der relativen Feuchtigkeit verwendeten beschichteten piezoelektrischen Quarze werden durch Fotolithografie und chemische Etchtechniken zu kleinen Quarzpiezoelektronen verarbeitet, und auf die AT-geschnittenen 10 MHz Quarze werden vier Substanzen aufgetragen, die eine hohe Massensensitivität gegenüber Feuchtigkeit aufweisen. Der Quarz dient als Resonator in einem Schwingkreis, dessen Frequenz mit der Masse variiert, und durch die Auswahl der richtigen Beschichtung kann der Sensor verwendet werden, um die relative Feuchtigkeit verschiedener Gase zu messen. Die Empfindlichkeit, Antwortlinearität, Reaktionszeit, Selektivität, Hysterese und Lebensdauer des Sensors hängen von der Art der Beschichtungschemikalien ab.

2、Stickoxid-Sensor

Stickoxid ist eine Vielzahl von Stickstoffoxiden, die aus einer Gasgemisch zusammengesetzt sind und oft als NOX ausgedrückt werden. Bei den Stickoxiden unterscheidet sich die chemische Stabilität der verschiedenen Formen. In der Luft werden sie oft in Stickmonoxid und Stickdioxid unterteilt, wobei diese aufgrund ihrer relativ stabilen chemischen Eigenschaften hygienisch betrachtet wichtiger erscheinen als andere Formen von Stickoxiden.

In der Umweltanalyse bezieht sich Stickstoffoxid im Allgemeinen auf Stickstoffdioxid. Die Standardmethode Chinas zur Überwachung von Stickoxiden ist die Farbstoffmethode von Naphtalethylendiaminhydrochlorid, die Empfindlichkeit der Methode beträgt 0,25ug/5ml, und der Konversionskoeffizient wird durch die Zusammensetzung der Absorptionslösung, die Konzentration von Stickstoffdioxid, die Gasauflagegeschwindigkeit, die Struktur des Absorberrohres, die Mitexistenz von Ionen und die Temperatur sowie viele andere Faktoren beeinflusst, es gibt keine vollständige Einheit. Die Sensormessung ist eine in den letzten Jahren entwickelte neue Methode.

3, Wasserstoffschwefel-Gassensor

Wasserstoffschwefelid ist ein farbloses, brennbares Gas mit einem charakteristischen fauligen Ei-Geruch, das reizend, erstickend und schädlich für den menschlichen Körper ist. Die meisten Methoden verwenden Kalorimetrie und Gaschromatographie, um Wasserstoffschwefelid in der Luft zu bestimmen. Die Bestimmung von Luftschadstoffen, deren Gehalt oft so niedrig wie auf mg/m³-Niveau ist, ist eine der Hauptanwendungen von Gassensoren, aber Halbleitergassensoren können die Anforderungen an Empfindlichkeit und Selektivität nicht erfüllen, um bestimmte Schadstoffgase in kurzer Zeit zu überwachen.

Der silberdotierte Dünnschichtsensormatrix besteht aus vier Sensoren, die gleichzeitig die Konzentrationen von Schwefeldioxid und Wasserstoffschwefelid mittels eines universellen Analyzers auf Basis der koulometrischen Titration und den Signalen aus der Halbleitergassensormatrix aufzeichnen. Die Praxis hat gezeigt, dass silberdotierte Dünnschichtsensoren, die bei 150 °C in konstanter Temperatur verwendet werden, effektiv zur Überwachung des Wasserstoffschwefelidgehalts in städtischer Luft sind.

4. Sulfur Dioxide Sensor

Schwefeldioxid ist eine der Hauptstoffe, die die Luft verunreinigen, und das Nachweisen von Schwefeldioxid in der Luft ist ein regelmäßiger Bestandteil der Luftqualitätsprüfung. Die Anwendung von Sensoren zur Überwachung von Schwefeldioxid hat große Vorteile gezeigt, von der Verkürzung der Detektionszeit bis hin zur Senkung des Nachweisgrenzwerts. Feste Polymere werden als Ionenenaustauschmembranen verwendet, wobei auf einer Seite des Membrans intern Elektrolyte für die Gegen- und Referenzelektroden enthalten sind, und auf der anderen Seite eine Platinelektrode eingefügt wird, um den Schwefeldioxidsensor zu bilden. Der Sensor wird in einer Durchflusszelle montiert und oxidiert Schwefeldioxid bei einer Spannung von 0,65V. Der Schwefeldioxidgehalt wird dann angegeben. Das Messgerät zeigt eine hohe Stromempfindlichkeit, eine kurze Reaktionszeit, eine gute Stabilität, ein niedriges Hintergrundrauschen, einen linearen Bereich von 0,2 mmol/L, einen Nachweisgrenzwert von 8*10^-6 mmol/L und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 3.

Der Sensor kann nicht nur Schwefeldioxid in der Luft detektieren, sondern auch zur Erkennung von Schwefeldioxid in Flüssigkeiten mit niedriger Leitfähigkeit verwendet werden. Die gasempfindliche Beschichtung des organisch modifizierten Silikatdünnfilm-Schwefeldioxid-Gasensors wurde mittels Sol-Gel-Verfahren und Spinntechnologie hergestellt. Diese Beschichtung zeigt eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit und Umkehrbarkeit bei der Bestimmung von Schwefeldioxid, mit einer schnellen Reaktionszeit von weniger als 20 Sekunden. Zudem weist sie eine minimale Interaktion mit anderen Gasen auf und wird nur geringfügig durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen beeinflusst.