Wat weet je over elektrochemische sensoren

De elektrochemische sensor is een type sensor dat zich baseert op de elektrochemische eigenschappen van het analyta om de chemische hoeveelheid om te zetten in een elektrische hoeveelheid voor sensordetectie.

De eerste elektrochemische sensoren dateren uit de jaren '50, toen ze werden gebruikt voor zuurstofmonitoring. En tot de jaren '80, toen ze werden gebruikt om een breed scala aan giftige gassen te monitoren en goede sensitiviteit en selectiviteit toonden.

ⅰ. Werkingsprincipe van elektrochemische sensor

Elektrochemische sensoren werken door chemisch te reageren met de te meten gas en een elektrisch signaal te produceren dat evenredig is aan de gasconcentratie. De meeste elektrochemische gas sensoren genereren een stroom die lineair evenredig is aan de gasconcentratie.

Een elektrochemische gas sensor werkt als volgt: De doelgasmoleculen komen eerst in contact met de sensor door een diafragma dat condensatie voorkomt en ook als stofbarrière fungeert. Vervolgens diffunderen de gasmoleculen door een kapillaire buis, mogelijk door een volgende filter, en daarna door een hydrofoob membraan naar het oppervlak van de meetelektrode. Daar worden de moleculen onmiddellijk oxidieerd of gereduceerd, waardoor elektronen worden gegenereerd of verbruikt, zodat er een elektrische stroom ontstaat.

Het is belangrijk op te merken dat het aantal gasmoleculen dat op deze manier de sensor binnengaat beperkt wordt door diffusie door de kapillaire. Door het pad te optimaliseren wordt een geschikte elektrische signaal verkregen volgens de gewenste meetbereik. De ontwerp van de sensiele elektrode is essentieel om een hoge responsiviteit te bereiken voor het doelgas en om ongewenste reacties op storende gassen te onderdrukken. Het betreft een driestapsysteem voor vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, en allemaal behelzen chemische identificatie van het analytegaas. De elektrochemische cel wordt afgerond door de zogenaamde counter-elektrode, de Cont-elektrode, die de reactie bij de sensiele elektrode in evenwicht brengt. De ionische stroom tussen de Cont-elektrode en de Sen-elektrode wordt vervoerd door het elektrolyaat binnen het sensorlichaam, terwijl de stroomweg wordt geboden door een draad die eindigt in een pinconnector. Een derde elektrode wordt meestal opgenomen in elektrochemische sensoren (3-elektrodesensoren). Een zogenaamde referentielektrode wordt gebruikt om het potentiaal van de sensiele elektrode op een vaste waarde te houden. Hiervoor en meestal voor de bedrijving van elektrochemische sensoren is een constante potentiaalschakeling vereist.

ⅱ. Componenten van een elektrochemische sensor

De elektrochemische sensor bestaat uit de volgende vier belangrijke componenten:

1. Begaafde membranen (ook wel hydrofobe membranen genoemd): Deze membranen dienen om de sensoren (catalytische elektroden) te bedekken en, in bepaalde gevallen, het moleculaire gewicht van de gassen die de elektrodenoppervlak bereiken te reguleren. Meestal worden deze membranen vervaardigd uit Teflonfilms met een lage porositeit. Wanneer deze membranen gebruikt worden om de elektroden te bedekken, worden de sensoren aangeduid als gecoatste sensoren. In de alternatieve configuratie kan een Teflonfilm met hoge porositeit samen met een kapillaire opening worden gebruikt om het moleculaire gewicht van de gas dat de oppervlakte van de elektrode bereikt te controleren. Deze configuratie wordt een kapillaar type sensor genoemd. Behalve mechanische bescherming voor de sensor biedt de film ook functie als filter, waarbij ongewenste deeltjes worden uitgesloten. Om ervoor te zorgen dat het juiste moleculaire gewicht van de gas toegelaten wordt, is het cruciaal om de juiste openinggrootte te selecteren voor zowel het membran als de kapillaire opening. De openinggrootte moet voldoende gasmoleculen toelaten om de sensorelektrode te bereiken, terwijl tegelijkertijd lekkage of snel drogen van de vloeibare elektrolyt voorkomen wordt.

2. Elektrode: Het is cruciaal om zorgvuldig de elektrodemateriaal te kiezen. De materiaal moet catalytisch zijn en in staat om een semi-elektrolytische reactie over een langere periode uit te voeren. Meestal worden elektroden gemaakt van edelmetalen, zoals platinum of goud, die efficiënt reageren met gasmoleculen door middel van catalyse. Afhankelijk van de ontwerp van de sensor kunnen de drie elektroden worden vervaardigd uit verschillende materialen om de elektrolyseringreactie te faciliteren.

3. Elektrolyaat: Het elektrolyaat moet in staat zijn om elektrolytische reacties te faciliteren en ionische lading efficiënt naar de elektrode te transducieren. Het moet ook een stabiele referentiepotentiaal vormen met de referentielektrode en compatibel zijn met de materialen die binnen de sensor worden gebruikt. Bovendien kan snelle verdamping van het elektrolyaat leiden tot een verzwakking van het sensesignaal, wat mogelijk de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid ervan in gevaar brengt.

4. Filters: Af en toe worden schrobberfilters voor de sensor geplaatst om ongewenste gassen te elimineren. De keuze aan filters is beperkt, met elk type een verschillend niveau van efficiëntie vertonend. Actieve koolstof staat als het meest gebruikte filtermateriaal, effectief om de meeste chemicaliën te filteren, behalve koolmonoxide. Door zorgvuldig het juiste filtermedium te selecteren, bereiken elektrochemische sensoren een verhoogde selectiviteit ten opzichte van hun doelgassen.

ⅲ. Classificatie van Elektrochemische Sensor

Er zijn vele manieren om elektrochemische sensoren te classificeren. Op basis van hun verschillende uitkomstsignalen kunnen ze worden verdeeld in potentio-metrische sensoren, ampero-metrische sensoren en conductometrische sensoren.

Volgens destoffen die door elektrochemische sensoren worden gedetecteerd, kunnen elektrochemische sensoren voornamelijk worden ingedeeld in ionensensoren, gas-sensoren en biosensoren.

ⅳ. Hoofdeigenschappen en Invloedrijke Factoren

1. Gevoeligheid

De belangrijkste factoren die de gevoeligheid beïnvloeden zijn: katalysatoractiviteit, luchtintake, elektrolytische conductiviteit en omgevingstemperatuur.

2. Herstel van respons

De belangrijkste factoren die de snelheid van het herstel van de respons beïnvloeden zijn katalysatoractiviteit, elektrolytische conductiviteit, gaschamberstructuur, eigenschappen van de gas, etc.

3. Selectiviteit/Cross-interferentie

De belangrijkste factoren die de selectiviteit beïnvloeden zijn het type katalysator, elektrolyt, spanningsoffset, filter, etc.

4. Reproducibiliteit/Lange-termijn stabiliteit

Factoren die de reproducerbaarheid beïnvloeden zijn: stabiliteit van de elektrodenstructuur, stabiliteit van de elektrolyt, stabiliteit van het gascircuitsysteem, etc.

5. Prestaties bij hoge en lage temperaturen

Factoren die de stabiliteit bij hoge en lage temperaturen beïnvloeden zijn: katalysatoractiviteit, stabiliteit van de elektrodenstructuur en gaskenmerken.

V. Vier belangrijke toepassingen van elektrochemische sensoren

Elektrochemische sensoren worden breed gebruikt in industriële en civiele gebieden van gasdetectie, ze kunnen ozon, formaaldehyde, koolmonoxide, ammoniak, waterstofzout, zwaveldioxide, stikstofoxide, zuurstof en andere gassen detecteren, vaak gebruikt in draagbare instrumenten en gas online-monitormiddelen.

1. Vochtigheidssensor

Vochtigheid is een belangrijke indicator van de luchtomgeving, de vochtigheid van de lucht heeft een nauwe relatie met het evaporatievermogen van het menselijk lichaam. Bij hoge temperatuur en hoge vochtigheid voelt het menselijk lichaam benauwd door moeilijkheden bij het evaporeren van water, terwijl bij lage temperatuur en hoge vochtigheid het afgeven van warmte door het lichaam intensiver is, wat gemakkelijk verkoudheid of vriezweer kan veroorzaken. De meest geschikte temperatuur voor het menselijk lichaam ligt tussen 18~22℃, met een relatieve vochtigheid van 35%~65% RH. In milieu- en gezondheidsmonitoring worden vaak instrumenten zoals de natte-dop thermometer-hygrometer, handbediende hygrometer en ventilatiehygrometer gebruikt om de luchtvochtigheid te bepalen.

In de afgelopen jaren zijn er veel literatuurverslagen over het gebruik van sensoren om de luchtvochtigheid te bepalen. De met een laag bedekte piezoelektrische kwartskristallen die worden gebruikt voor de bepaling van relatieve vochtigheid, worden gemaakt tot kleine kwarts-piezoelektrische kristallen door middel van fotolitografie en chemische etstechnieken, en vier stoffen worden aangebracht op de AT-gesneden 10 MHz kwartskristallen, die een hoge massa-gevoeligheid voor vochtigheid hebben. De kristal fungeert als een resonator in een trillingscircuit waarvan de frequentie varieert met de massa, en door de juiste coating te kiezen, kan de sensor worden gebruikt om de relatieve vochtigheid van verschillende gassoorten te bepalen. De gevoeligheid, responslineariteit, responstijd, selectiviteit, hysteresis en levensduur van de sensor hangen af van de aard van de coatingchemica's.

2、Stikstofoxide-sensor

Stikstofoxide is een verscheidenheid aan oxiden van stikstof, bestaande uit een mengsel van gassen, vaak uitgedrukt als NOX. In de stikstofoxide verschilt de chemische stabiliteit van de verschillende vormen van stikstofoxide. In de lucht worden ze vaak onderverdeeld in monoxide van stikstof en stikdioxide, met relatief stabiele chemische eigenschappen. Hun betekenis voor de gezondheidszorg lijkt belangrijker dan die van andere vormen van stikstofoxide.

In milieuanalyse verwijst stikstofoxide in het algemeen naar stikzuur. De standaardmethode in China voor het monitoren van stikstofoxides is de kleurenmethode van naphthalene-ethyleendiaminehydrochloride, de gevoeligheid van de methode is 0,25ug/5ml, de conversiemethode wordt beïnvloed door de samenstelling van de oplosmiddeloplossing, de concentratie van stikzuur, de snelheid van gasverzameling, de structuur van het absorptiebuisje, de coëxistentie van ionen en temperatuur en vele andere factoren, niet volledig geünificeerd. Sensormeting is een nieuwe methode die de laatste jaren is ontwikkeld.

3, Waterstofzwavelsensor

Waterstofzulfide is een kleurloze, brandbare gas met een speciale rottei-geur, die irriterend en verstikkend is en schadelijk voor het menselijk lichaam. De meeste methoden gebruiken calorimetrie en gaschromatografie om waterstofzulfide in de lucht te bepalen. Het bepalen van luchtverontreinigers waarvan de concentratie vaak zo laag is als op mg/m³-niveau, is een van de belangrijkste toepassingen van gas sensoren, maar halvleidergassen sensoren kunnen de gevoeligheids- en selectiviteitseisen niet voldoen voor het bewaken van bepaalde verontreinigende gassen in een korte tijd.

De zilvergedopeerde dunne-film sensorarray bestaat uit vier sensoren die simultaan de concentraties van zwaveloxid en waterstofzulfide registreren met behulp van een universele analyzer gebaseerd op coulometrische titratie en de signalen van de halvleidergassen sensorarray. De praktijk heeft aangetoond dat zilvergedopeerde dunne-film sensoren die op 150 °C op constante temperatuur worden gebruikt, effectief zijn voor het bewaken van de waterstofzulfide-inhoud in stedelijke lucht.

4. Sulfur Dioxide Sensor

Sulfurdioxide is een van de belangrijkste stoffen die de lucht verontreinigen, en het detecteren van sulfurdioxide in de lucht is een regulier onderdeel van luchttesting. De toepassing van sensoren bij het monitoren van sulfurdioxide heeft grote voordelen getoond, van verkorting van de detectietijd tot verlaging van de detectielimiet. Vaste polymeren worden gebruikt als ionenuitwisselmembraan, met aan de ene kant van het membraan interne elektrolyten voor de tegen- en referentielektroden, en een platina-elektrode ingevoegd aan de andere kant om de sulfurdioxide-sensor te vormen. De sensor wordt gemonteerd in een flowcell en oxidert sulfurdioxide bij een spanning van 0,65V. De sulfurdioxide-inhoud wordt vervolgens aangegeven. Het sensorelement toont hoge stroomsensitiviteit, een korte respons-tijd, goede stabiliteit, lage achtergrondruis, een lineaire bereik van 0,2 mmol/L, een detectielimiet van 8*10^-6 mmol/L, en een signaal-ruisverhouding van 3.

De sensor kan niet alleen zwaveloxid in de lucht detecteren, maar ook worden gebruikt om zwaveloxid in een vloeistof met lage conductiviteit te detecteren. De gasgevoelige coating van de organisch gemodificeerde silicaatdunne film zwaveloxidgasensor is gemaakt met behulp van het sol-gel proces en spin technologie. Deze coating toont uitstekende reproducerbaarheid en omkeerbaarheid bij de bepaling van zwaveloxid, met een snelle respons-tijd van minder dan 20 seconden. Bovendien toont het minimale interactie met andere gassen en wordt het minimaal beïnvloed door veranderingen in temperatuur en vochtigheid.