Que savez-vous des capteurs électrochimiques ?

Le capteur électrochimique est un type de capteur qui repose sur les propriétés électrochimiques de l'analyte pour convertir la quantité chimique en une quantité électrique pour la détection et la mesure.

Les premiers capteurs électrochimiques remontent aux années 1950, lorsqu'ils étaient utilisés pour surveiller l'oxygène. Et dans les années 1980, lorsqu'ils étaient utilisés pour surveiller une large gamme de gaz toxiques et montraient une bonne sensibilité et sélectivité.

ⅰ. Principes de fonctionnement du capteur électrochimique

Les capteurs électrochimiques fonctionnent en réagissant chimiquement avec le gaz mesuré et en produisant un signal électrique proportionnel à la concentration en gaz. La plupart des capteurs électrochimiques de gaz génèrent un courant linéairement proportionnel à la concentration en gaz.

Un capteur de gaz électrochimique fonctionne comme suit : Les molécules de gaz cible en contact avec le capteur passent d'abord à travers une membrane qui empêche la condensation et agit également comme barrière contre la poussière. Ensuite, les molécules de gaz diffusent à travers un tube capillaire, éventuellement à travers un filtre supplémentaire, puis à travers une membrane hydrophobe jusqu'à la surface de l'électrode de détection. Là, les molécules sont immédiatement oxydées ou réduites, générant ainsi ou consommant des électrons pour produire un courant électrique.

Il est important de noter que la quantité de molécules de gaz entrant dans le capteur de cette manière est limitée par la diffusion à travers la capillaire. En optimisant le trajet, un signal électrique approprié est obtenu en fonction de la plage de mesure souhaitée. La conception de l'électrode de détection est essentielle pour obtenir une grande réactivité au gaz cible et pour réprimer les réponses indésirables aux gaz interférents. Elle implique un système en trois étapes pour les solides, les liquides et les gaz, et tous impliquent une identification chimique du gaz analyte. La cellule électrochimique est complétée par l'électrode appelée électrode contrepoids, l'électrode Cont, qui équilibre la réaction à l'électrode de détection. Le courant ionique entre l'électrode Cont et l'électrode Sen est transporté par l'électrolyte à l'intérieur du corps du capteur, tandis que le trajet du courant est fourni par un fil se terminant par un connecteur à broche. Une troisième électrode est généralement incluse dans les capteurs électrochimiques (capteurs à 3 électrodes). Une électrode de référence dite est utilisée pour maintenir le potentiel de l'électrode de détection à une valeur fixe. À cet effet et généralement pour le fonctionnement des capteurs électrochimiques, un circuit de potentiel constant est nécessaire.

ⅱ. Composants d'un capteur électrochimique

Le capteur électrochimique comprend les quatre composants clés suivants :

1. Membranes respirantes (également appelées membranes hydrophobes) : Ces membranes servent à recouvrir les électrodes de détection (catalytiques) et, dans certains cas, à réguler la masse moléculaire des gaz atteignant la surface de l'électrode. Généralement, ces membranes sont fabriquées à partir de films en Teflon avec une faible porosité. Lorsque ces membranes sont utilisées pour recouvrir les électrodes, les capteurs sont appelés capteurs revêtus. Alternativement, un film de Teflon à haute porosité peut être utilisé, associé à une capillaire, pour contrôler la masse moléculaire du gaz atteignant la surface de l'électrode. Cette configuration est connue sous le nom de capteur de type capillaire. Outre la protection mécanique du capteur, le film fonctionne également comme un filtre, éliminant les particules indésirables. Pour s'assurer que la masse moléculaire appropriée du gaz est autorisée à passer, il est crucial de sélectionner la taille d'ouverture adéquate pour la membrane et la capillaire. La taille de l'ouverture doit permettre un nombre suffisant de molécules de gaz d'atteindre l'électrode de détection tout en empêchant les fuites ou le séchage rapide de l'électrolyte liquide.

2. Électrode : Il est crucial de sélectionner soigneusement le matériau de l'électrode. Le matériau doit être catalytique, capable d'effectuer une réaction semi-électrolytique sur une longue période. Généralement, les électrodes sont fabriquées à partir de métaux précieux, comme le platine ou l'or, qui réagissent efficacement avec les molécules de gaz par catalyse. En fonction du design du capteur, les trois électrodes peuvent être construites à partir de matériaux différents pour faciliter la réaction d'électrolyse.

3. Électrolyte : L'électrolyte doit être capable de faciliter les réactions électrolytiques et de transduire efficacement la charge ionique vers l'électrode. Il doit également former un potentiel de référence stable avec l'électrode de référence et être compatible avec les matériaux utilisés dans le capteur. De plus, une évaporation rapide de l'électrolyte peut entraîner un affaiblissement du signal du capteur, compromettant potentiellement sa précision et sa fiabilité.

4. Filtres : Occasionnellement, des filtres de nettoyage sont positionnés devant le capteur pour éliminer les gaz indésirables. Le choix des filtres est limité, chaque type présentant un niveau d'efficacité distinct. Le charbon actif reste le matériau de filtre le plus largement utilisé, filtrant efficacement la plupart des produits chimiques, à l'exception du monoxyde de carbone. En choisissant soigneusement le bon matériau de filtration, les capteurs électrochimiques atteignent une sélectivité accrue envers leurs gaz cibles.

ⅲ. Classification du Capteur Électrochimique

Il existe de nombreuses façons de classer les capteurs électrochimiques. Selon leurs signaux de sortie variés, ils peuvent être divisés en capteurs potentiométriques, ampérométriques et conductométriques.

Selon les substances détectées par les capteurs électrochimiques, ceux-ci peuvent être principalement classifiés en capteurs d'ions, capteurs de gaz et biosenseurs.

ⅳ. Principales Propriétés et Facteurs Influents

1. Sensibilité

Les principaux facteurs qui affectent la sensibilité incluent : l'activité du catalyseur, l'admission d'air, la conductivité de l'électrolyte et la température ambiante.

2. Récupération de la réponse

Les principaux facteurs qui affectent la vitesse de récupération de la réponse sont l'activité du catalyseur, la conductivité de l'électrolyte, la structure de la chambre à gaz, les propriétés du gaz, etc.

3. Sélectivité/Interférence croisée

Les principaux facteurs qui affectent la sélectivité incluent le type de catalyseur, d'électrolyte, la tension de polarisation, le filtre, etc.

4. Répétabilité/Stabilité à long terme

Facteurs affectant la répétabilité : stabilité de la structure de l'électrode, stabilité de l'électrolyte, stabilité du circuit gazeux, etc.

5. Performance en haute et basse température

Facteurs affectant la stabilité en haute et basse température : activité du catalyseur, stabilité de la structure de l'électrode et caractéristiques du gaz.

V. Les quatre principales applications des capteurs électrochimiques

Les capteurs électrochimiques sont largement utilisés dans les domaines industriels et civils de la détection de gaz. Ils peuvent détecter l'ozone, le formaldéhyde, le monoxyde de carbone, l'ammoniac, l'hydrogène sulfuré, le dioxyde de soufre, le dioxyde d'azote, l'oxygène et d'autres gaz. Ils sont couramment utilisés dans les instruments portables et les systèmes de surveillance en ligne des gaz.

1. Capteur d'humidité

L'humidité est un indicateur important de l'environnement atmosphérique, l'humidité de l'air et le corps humain ont une relation étroite avec la chaleur d'évaporation. En cas de forte chaleur et d'humidité élevée, en raison des difficultés d'évaporation de l'eau corporelle, on se sent oppressé. En cas de basse température et d'humidité élevée, le processus de dissipation de la chaleur corporelle est intense, ce qui facilite les rhumes et les gelures. La température la plus adaptée pour le corps humain est de 18~22℃, avec une humidité relative de 35%~65% HR. Dans le cadre du monitoring environnemental et de la santé, on utilise couramment des instruments tels que le thermo-hygromètre à globe humide, l'hygromètre manuel et l'hygromètre ventilé pour déterminer l'humidité de l'air.

Ces dernières années, un grand nombre de rapports littéraires ont été publiés sur l'utilisation de capteurs pour déterminer l'humidité de l'air. Les cristaux de quartz piézoélectriques revêtus utilisés pour la détermination de l'humidité relative sont fabriqués en petits cristaux de quartz piézoélectrique par des techniques de photolithographie et d'usinage chimique, et quatre substances sont déposées sur les cristaux de quartz piézoélectrique AT 10 MHz, qui présentent une grande sensibilité de masse à l'humidité. Le cristal est un résonateur dans un circuit oscillant dont la fréquence varie avec la masse, et en choisissant le revêtement approprié, le capteur peut être utilisé pour déterminer l'humidité relative de différents gaz. La sensibilité, la linéarité de réponse, le temps de réponse, la sélectivité, l'hystérésis et la durée de vie du capteur dépendent de la nature des produits chimiques du revêtement.

2、Capteur d'oxyde d'azote

L'oxyde d'azote est une variété d'oxydes d'azote composée d'un mélange de gaz, souvent exprimé sous la forme NOX. Dans l'oxyde d'azote, la stabilité chimique des différentes formes d'oxydes d'azote varie ; dans l'air, on distingue souvent le protoxyde d'azote et le dioxyde d'azote, qui ont des propriétés chimiques relativement stables. Leur importance en hygiène semble être plus grande que celle des autres formes d'oxydes d'azote.

Dans l'analyse environnementale, l'oxyde d'azote fait généralement référence au dioxyde d'azote. La méthode standard en Chine pour surveiller les oxydes d'azote est la méthode colorimétrique du naphthalène éthylènediamine chlorhydrate. La sensibilité de cette méthode est de 0,25 µg/5 ml. Le coefficient de conversion de cette méthode est influencé par la composition de la solution absorbante, la concentration de dioxyde d'azote, la vitesse de collecte de gaz, la structure du tube absorbeur, la coexistence d'ions et la température, ainsi que de nombreux autres facteurs, ce qui n'est pas complètement unifié. La détermination par capteur est une nouvelle méthode développée ces dernières années.

3、Capteur de Gaz d'Hydrogène Sulfureux

Le sulfure d'hydrogène est un gaz incolore, inflammable, avec une odeur caractéristique de œuf pourri, qui est irritant et asphyxiant, et nocif pour l'organisme humain. La plupart des méthodes utilisent la calorimétrie et la chromatographie gazeuse pour déterminer le sulfure d'hydrogène dans l'air. La détermination des polluants atmosphériques dont la teneur est souvent aussi faible que le niveau de mg/m³ est l'une des principales applications des capteurs de gaz, mais les capteurs de gaz semi-conducteurs ne sont pas en mesure de répondre aux exigences de sensibilité et de sélectivité pour surveiller certains gaz polluants en un court laps de temps.

Le réseau de capteurs à film mince dopé à l'argent se compose de quatre capteurs qui enregistrent simultanément les concentrations de dioxyde de soufre et de sulfure d'hydrogène à l'aide d'un analyseur universel basé sur la titration coulométrique et des signaux du réseau de capteurs de gaz semi-conducteurs. La pratique a montré que les capteurs à film mince dopé à l'argent utilisés à 150 °C de manière à température constante sont efficaces pour surveiller la teneur en sulfure d'hydrogène dans l'air urbain.

4. Capteur de dioxyde de soufre

Le dioxyde de soufre est l'une des principales substances qui polluent l'air, et le dépistage du dioxyde de soufre dans l'air fait partie intégrante des tests d'air réguliers. L'utilisation de capteurs pour surveiller le dioxyde de soufre a montré une grande supériorité, allant de la réduction du temps de détection à l'abaissement de la limite de détection. Des polymères solides sont utilisés comme membranes d'échange ionique, avec un côté de la membrane contenant des électrolytes internes pour les électrodes de référence et contre-électrode, et un électrode en platine insérée de l'autre côté pour former le capteur de dioxyde de soufre. Le capteur est monté dans une cellule de flux et oxyde le dioxyde de soufre à une tension de 0,65V. La teneur en dioxyde de soufre est ensuite indiquée. L'appareil de détection présente une haute sensibilité au courant, un temps de réponse court, une bonne stabilité, un faible bruit de fond, une plage linéaire de 0,2 mmol/L, une limite de détection de 8*10-6 mmol/L et un rapport signal/bruit de 3.

Le capteur peut non seulement détecter le dioxyde de soufre dans l'air, mais aussi être utilisé pour détecter le dioxyde de soufre dans un liquide à faible conductivité. L'enrobage sensible au gaz du capteur de dioxyde de soufre en film mince de silicate modifié organiquement a été fabriqué en utilisant le procédé sol-gel et la technologie de centrifugation. Cet enrobage présente une excellente reproductibilité et réversibilité dans la détermination du dioxyde de soufre, avec un temps de réponse rapide de moins de 20 secondes. De plus, il montre une interaction minimale avec d'autres gaz et est peu influencé par les variations de température et d'humidité.