Ce știi despre senzori electrochimici?

Senzorul electrochimic este un tip de senzor care se bazează pe proprietățile electrochimice ale substanței analizate pentru a transforma cantitatea chimică într-o cantitate electrică pentru detecție.

Prima generație de senzori electrochimici se întoarce la anii '50, când aceștia erau utilizați pentru monitorizarea oxigenului. Și până în anii '80, când erau utilizați pentru a monitoriza o gamă largă de gaze toxice, arătând o bună sensibilitate și selectivitate.

i. Principiu de lucru al senzorului electrochimic

Senzorii electrochimici funcționează prin reacționarea chimică cu gazul măsurat și produc un semnal electric proporțional concentrației de gaz. Majoritatea senzorilor electrochimici de gaze generează o curentă care este liniar proporțională concentrației de gaz.

Un senzor electrochimic de gaze funcționează astfel: Molecele de gaz țintă care intră în contact cu senzorul trec mai întâi printr-o diafragmă care previne condensarea și acționează, de asemenea, ca un bariere pentru praf. Apoi, molecele de gaz se difuzează printr-un tub capilar, posibil printr-un filtru ulterior, și apoi printr-o membrană hidrofobă până la suprafața electrodului de detecție. Acolo, molecele sunt oxidadă sau reduse imediat, generând sau consumând astfel electroni și producând o curent electric.

Este important de menționat că cantitatea de molecule de gaz care intră în senzor în acest mod este limitată de difuziune prin capilar. Prin optimizarea traseului, se obține un semnal electric corespunzător conform intervalului de măsurare dorit. Proiectarea electrodului de senzare este esențială pentru a obține o responsivitate ridicată față de gazul țintă și pentru a suprima răspunsurile nedorite la gaze interferente. Aceasta implică un sistem în trei etape pentru solide, lichide și gaze, iar toate implică identificarea chimică a gazei analitice. Celula electrochimică este finalizată de electroda numită electroda de compensare, electroda Cont, care echilibrează reacția la electroda de senzare. Curentul ionic între electroda Cont și electroda Sen este transportat de electrolitul din interiorul corpului senzorului, în timp ce calea curentului este asigurată printr-un fir terminat cu un conectoare pin. Un al treilea electrode este de obicei inclus în senzori electrochimici (senzori cu 3 electode). Un electrode numit electrode de referință este folosit pentru a menține potențialul electrodului de senzare la o valoare fixă. Pentru această scop și, de regulă, pentru funcționarea senzorilor electrochimici, este necesar un circuit de potențial constant.

ⅱ. Componentele unui senzor electrochimic

Senzorul electrochimic cuprinde următoarele patru componente cheie:

1. Membrane respirabile (cunoscute și ca membrane hidrofobe): Aceste membrane au rolul de a acoperi electrodele de detecție (catalizatoare) și, în anumite cazuri, de a regla greutatea moleculară a gazelor care ajung la suprafața electrodei. De obicei, aceste membrane sunt fabricate din filme Teflon cu o porozitate mică. Când aceste membrane sunt folosite pentru a acoperi electrozi, senzorii se numesc senzori îmbrăcați. Alternativ, poate fi utilizată o filmă Teflon cu o porozitate ridicată, împreună cu o capilară, pentru a controla greutatea moleculară a gazei care ajunge la suprafața electrodei. Această configurație este cunoscută drept senzor de tip capilar. Pe lângă protecția mecanică a senzorului, filmul funcționează și ca un filtru, eliminând particule indeseorate. Pentru a permite trecerea corespunzătoare a greutății moleculelor de gaz, este esențial să se aleagă dimensiunea potrivită a gaurilor atât pentru membrană, cât și pentru capilară. Dimensiunea gaurilor trebuie să permită suficiente molecule de gaz să ajungă la electrodul de detecție, în timp ce previne scurgerea sau uscarea rapidă a electrolitului lichid.

2. Electroda: Este crucial să se aleagă cu atenție materialul electrodei. Acest material ar trebui să fie catalitic, capabil să execute o reacție semi-electrolitică pe o perioadă prelungită. De obicei, electrodele sunt fabricate din metale prețioase, cum ar fi platin sau aur, care reacționează eficient cu moleculele de gaz prin catalizare. În funcție de proiectarea senzorului, cele trei electrode pot fi construite din materiale diferite pentru a facilita reacția de electrolizare.

3. Electrolit: Electrolitul trebuie să fie capabil să faciliteze reacțiile electrolitice și să transduca eficient sarcina ionică la electroda. Trebuie, de asemenea, să formeze o potențială de referință stabilă cu electroda de referință și să fie compatibil cu materialele folosite în interiorul senzorului. Mai mult, evaporarea rapidă a electrolitului poate duce la slăbirea semnalului senzorului, risicând să compromită precizia și fiabilitatea acestuia.

4. Filtrare: De la timp la alt timp, filtrele de curățare sunt poziționate în fața senzorului pentru a elimina gazele indesirate. Selecția filtrelor este limitată, fiecare tip prezentând un nivel distinct de eficiență. Carbonyl activ reprezintă materialul filtrant cel mai utilizat, eliminând cu succes majoritatea chimicalelor, cu excepția monoxidului de carbon. Prin selectarea atentă a mediului filtrant, senzorii electrochimici ajung la o selectivitate sporită față de gazele intenționate.

ⅲ. Clasificarea Senzorului Electrochimic

Există multe modalități de a clasifica senzorii electrochimici. În funcție de semnalele lor de ieșire variabile, aceștia pot fi împărțiți în senzori potențiomeri, senzori amperomeri și senzori conductomeri.

Conform substanțelor detectate de senzorii electrochimici, aceștia pot fi clasificați în principal în senzori de ione, senzori de gaze și biosenzori.

ⅳ. Proprietăți Principale și Factori de Influță

1. Sensibilitate

Factorii principal care afectează sensibilitatea includ: activitatea catalizatorului, introducerea aerului, conductivitatea electrolitului și temperatura ambientală.

2. Recuperarea răspunsului

Factorii principal care afectează viteza de recuperare a răspunsului sunt activitatea catalizatorului, conductivitatea electrolitului, structura camerei de gaz, proprietățile gazeului, etc.

3. Selectivitate/Cross-interferență

Factorii principal care afectează selectivitatea includ tipul de catalizator, electrolit, tensiune de polarizare, filtru, etc.

4. Reproducibilitate/Stabilitate pe termen lung

Factorii care afectează reproducibilitatea includ: stabilitatea structurii electrodului, stabilitatea electrolitului, stabilitatea circuitului de gaz, etc.

5. Performanța la temperaturi ridicate și scăzute

Factorii care afectează stabilitatea la temperaturi ridicate și scăzute includ: activitatea catalizatorului, stabilitatea structurii electrodului și caracteristicile gazeului.

V. Cele patru principale aplicații ale senzorilor electrochimici

Senzorii electrochimici sunt folosiți în mod extensiv în zonele industriale și civile ale detectării de gaze, pot detecta ozone, formaldehid, monoxid de carbon, amoniac, sulfid de hidrogen, dioxid de sulfur, dioxid de azot, oxigen și alte gaze, fiind utilizati frecvent în instrumentele portabile și în instrumentele de monitorizare a gazelor online.

1. Senzor de umiditate

Umiditatea este un indicator important al mediului aerian, existând o legătură strânsă între umiditatea aerului și corpul uman în ceea ce privește căldura de evaporare. La temperaturi ridicate și umiditate crescută, din cauza dificultăților de evaporare a apei din corp, omul se simte sufocat. La temperaturi joase și umiditate ridicată, procesul de dispersare a căldurii corporale este intens, putând să provoace răceală sau congelări. Temperatura cel mai potrivită pentru corpul uman este de 18~22℃, iar umiditatea relativă este de 35%~65% RH. În monitorizarea mediului și a sănătății, se folosesc adesea instrumente precum termoigrometerul cu bulina umedă, igrometerul manual și igrometerul cu ventilatie pentru a determina umiditatea aerului.

În ultimii ani, s-au publicat un mare număr de rapoarte în literatura despre utilizarea senzorilor pentru a determina umiditatea aerului. Cristalele piezoelectrice de cuarz îmbunătățite, folosite pentru măsurarea umidității relative, sunt fabricate sub formă de mici cristale piezoelectrice de cuarz prin tehnici de fotolitografie și etalaj chimic, iar patru substanțe sunt îmbunătățite pe cristalele de cuarz piezoelectric de 10 MHz tăiate pe planul AT, care au o sensibilitate masă ridicată față de umiditate. Cristalul este un rezonator într-un circuit oscilant al cărui frecvență variază cu masa, iar prin selectarea îmbunătățitorului potrivit, senzorul poate fi folosit pentru a determina umiditatea relativă a diferitelor gaze. Sensibilitatea, liniaritatea răspunsului, timpul de răspuns, selectivitatea, histeraza și viața utilă a senzorului depind de natura îmbunătățitorilor chimici.

2、Senzor de oxidi de azot

Oxidul de azot este o varietate de oxiziți ale azotului compuși dintr-un amestec de gaze, des exprimat ca NOX. În oxidul de azot, stabilitatea chimică a diferitelor forme de oxid de azot este diferită, iar în aer sunt de obicei separate în monoxid de azot și dioxid de azot, care au proprietăți chimice mai stabilite; importanța lor în higiene pare să fie mai semnificativă decât cea a altor forme de oxid de azot.

În analiza mediului, oxigenul de nitrogen se referă de obicei la dioxidul de azot. Metoda standard a Chinei pentru monitorizarea oxidelor de azot este metoda colorimetrică a naphtalenului etilendiamin hidroclorid, sensibilitatea metodei fiind de 0,25ug/5ml, coeficientul de conversie al metodei fiind influențat de compoziția soluției absorbante, concentrația dioxidului de azot, viteza colectării gazei, structura tubului absorator, prezența ionilor și temperatura, precum și multe alte factori, nu fiind complet unificată. Determinarea cu senzor este o metodă nouă dezvoltată în ultimii ani.

3, Senzor de Gaz Hidrosulfuric

Diioxidul de sulf este un gaz fără culoare, inflamabil, cu un miros specific de ou rău, care este irritant și asfixiant, și nociv pentru corpul uman. Majoritatea metodelor utilizează calorimetria și cromatografia gazelor pentru a determina dioxidul de sulf în aer. Determinarea poluanților aerieni ale căror cantități sunt adesea la nivelul de mg/m3 reprezintă una dintre principalele aplicații ale senzorilor de gaze, dar senzorii de gaze semiconductoare nu pot să îndeplinească cerințele de sensibilitate și selectivitate necesare pentru monitorizarea unor gaze poluant într-un interval scurt de timp.

Matricea de senzori cu strat subțire dopat cu argint constă din patru senzori care înregistrează simultan concentrațiile de dioxid de sulf și dihidru sulfurat folosind un analizor universal bazat pe titrarea coulometrică și semnalele provenite de la matricea de senzori de gaze semiconductoare. Practica a arătat că senzorii cu strat subțire dopat cu argint, utilizați la 150 °C într-un mod cu temperatură constantă, sunt eficienți pentru monitorizarea conținutului de dihidru sulfurat în aerul urban.

4. Senzor de Dioxid de Sulfur

Dioxidul de sulfur este una dintre principalele substanțe care poluează aerul, iar detectarea dioxidului de sulfur din aer este o parte regulată a testării aerului. Aplicarea senzorilor în monitorizarea dioxidului de sulfur a arătat o mare superioritate, de la scurtarea timpului de detectare până la reducerea limitei de detectare. Polimerii solidi sunt folosiți ca membrane de schimb ionice, cu una dintre părțile membranei conținând electrolituri interne pentru electrodi contra și de referință, iar un electrode platina inserat pe cealaltă parte pentru a forma senzorul de dioxid de sulfur. Senzorul este montat într-un celule de flux și oxidează dioxidul de sulfur la o tensiune de 0,65V. Conținutul de dioxid de sulfur este apoi indicat. Dispozitivul de senzare prezintă o sensibilitate curentă ridicată, un timp de răspuns scurt, o bună stabilitate, un zgomot de fundal mic, un interval liniar de 0,2 mmol/L, o limită de detectare de 8*10-6 mmol/L și un raport semnal-zgomot de 3.

Senzorul poate nu doar să detecteze dioxid de sulf ur în aer, dar poate fi folosit și pentru a detecta dioxid de sulf ur în lichide cu conductivitate scăzută. Revopsirea gaz-sensibilă a senzorului de dioxid de sulf ur cu film subțire de silicat modificat organic a fost fabricată utilizând procesul sol-gel și tehnologia de rotație. Această revopsire prezintă o reproducere și o reversibilitate excelente în determinarea dioxidului de sulf ur, cu un timp de răspuns rapid de mai puțin de 20 de secunde. De asemenea, demonstrează o interacțiune minimă cu alte gaze și este influențat minim de schimbările de temperatură și umiditate.