Що ви знаєте про електрохімічні датчики

Електрохiмiчний датчик - це тип датчика, який базується на електрохiмiчних властивостях аналiту для перетворення хiмiчної кiлькостi в електричну кiлькiсть для виявлення та детектування.

Перші електрохімічні датчики датуються 1950-ми роками, коли вони використовувалися для моніторингу кисню. А до 1980-х років, коли вони використовувалися для моніторингу широкого спектру токсичних газів і показували хорошу чутливість та вибірковість.

ⅰ. Принцип роботи електрохімічного датчика

Електрохімічні датчики працюють шляхом хімічної реакції з вимірюваним газом і створення електричного сигналу, що пропорційний концентрації газу. Більшість електрохімічних датчиків газу генерують струм, який лінійно пропорційний концентрації газу.

Електрохімічний газовий сенсор працює наступним чином: молекули цільового газу, які спочатку проходять через діафрагму, що запобігає конденсації та також виступає у якості бар'єру для пилу. Потім молекули газу розсіюються через капілярну трубку, можливо, через наступний фільтр, а потім через гідрофобну мембрану на поверхню електроду виявлення. Там молекули негайно окислюються або знижуються, таким чином, генеруючи або споживаючи електрони, що створює електричний струм.

Важливо зазначити, що кількість молекул газу, які потрапляють до сенсора цим чином, обмежена дифузією через капіляр. Оптимізуючи шлях, отримується відповідний електричний сигнал за бажаним діапазоном вимірювань. Конструкція чутливого електроду є ключовою для досягнення високої реактивності на цільовий газ та підтримки небажаних відповідей на завадливі гази. Вона передбачає триетапну систему для твердих речовин, рідин та газів, і всі включають хімічну ідентифікацію аналітного газу. Електрохімічна комірка завершується так званим контрольним електродом, електродом Cont, який вирівнює реакцію на чутливому електроді. Іонний струм між електродом Cont та електродом Sen переноситься електролітом у тілі сенсора, тоді як шлях струму забезпечується через провід, що закінчується піновим з'єднанням. У електрохімічних сенсорах зазвичай включено третій електрод (сенсори з 3 електродами). Так званий референтний електрод використовується для підтримки потенціалу чутливого електрода на фіксованому значенні. Для цього, а зазвичай і для операції електрохімічних сенсорів, необхідно коло постійного потенціалу.

ⅱ. Компоненти електрохімічного датчика

Електрохімічний датчик складається з наступних чотирьох ключових компонентів:

1. Дихальні мембрани (також відомі як гідрофобні мембрани): Ці мембрани призначені для накриття датчиків (каталітичних) електродів і, у певних випадках, регулюють молекулярну масу газів, що досягають поверхні електрода. Зазвичай такі мембрани виготовляються з фільмів з тефлону з низькою пористістю. Коли ці мембрани використовуються для накриття електродів, датчики називаються покритими датчиками. В альтернативному варіанті можна використовувати тефлоновий фільм з високою пористістю разом із капіляром для контролю молекулярної маси газу, що досягає поверхні електрода. Така конфігурація відома як капілярний тип датчика. Крім забезпечення механічної захисту датчика, фільм також виконує функцію фільтра, вилучуючи небажані частинки. Щоб забезпечити проходження газу з правильною молекулярною масою, важливо правильно обрати розмір отворів для мембран та капіляру. Розмір отворів повинен дозволяти достатню кількість молекул газу досягати чутливого електрода, одночасно запобігаючи протіканню або швидкому висиханню рідинного електроліту.

2. Електрод: Важливо тщательно вибирати матеріал електрода. Матеріал повинен бути каталітичним, здатним проводити напівелектролітичну реакцію протягом тривалого періоду. Зазвичай електроди виготовляються з дрібних металів, таких як платина або золото, які ефективно реагують з газовими молекулами через каталіз. В залежності від конструкції сенсора, три електроди можуть бути виготовлені з різних матеріалів для забезпечення реакції електролізу.

3. Електроліт: Електроліт повинен бути здатним сприяти електролітичним реакціям та ефективно перетворювати йонний заряд на електрод. Він також повинен утворювати стабільний початковий потенціал з початковим електродом і бути сумісним з матеріалами, що використовуються всередині сенсора. Крім того, швидке випарювання електроліту може призвести до ослаблення сигналу сенсора, що може погано вплинути на його точність та надійність.

4. Фільтри: З часом, фільтри скрабера розміщуються перед сенсором для виключення небажаних газів. Вибір фільтрів обмежений, з кожним типом, що виступає з різним рівнем ефективності. Активований вугілля є найбільш поширеним матеріалом фільтра, ефективно відфільтровуючи багато хімічних речовин, за винятком оксиду вуглецю. Обираючи відповідне фільтруване середовище, електрохімічні сенсори досягають підвищеної вибірковості до цільових газів.

ⅲ. Класифікація електрохімічного сенсора

Є багато способів класифікувати електрохімічні сенсори. Залежно від їх різноманітних вихідних сигналів, їх можна поділити на потенціометричні сенсори, амперометричні сенсори та провідні сенсори.

За речовинами, які виявляються електрохімічними сенсорами, електрохімічні сенсори можна головним чином класифікувати на іонні сенсори, газові сенсори та біосенсори.

ⅳ. Основні властивості та чинники, що впливають

1. Чутливість

Основні фактори, які впливають на чутливість, включають: активність катализатора, забезпечення повітряним потоком, провідність електроліту та температуру навколишнього середовища.

2. Відновлення відповіді

Основні фактори, які впливають на швидкість відновлення відповіді, - це активність катализатора, провідність електроліту, структура газової камери, властивості газу тощо.

3. Вибірковість/Перехресна干свервенція

Основні фактори, які впливають на вибірковість, включають тип катализатора, електроліт, зміст напруги, фільтр тощо.

4. Повторюваність/Стійкість у довгий термін

Фактори, що впливають на повторюваність, включають: стабільність структури електродів, стабільність електроліту, стабільність газового кола тощо.

5. Висока та низька температурна стійкість

Фактори, що впливають на стійкість при високих та низьких температурах, включають: активність катализатора, стабільність структури електродів та властивості газу.

V. Чотири головні застосування електрохімічних сенсорів

Електрохімічні датчики широко використовуються в промислових та цивільних галузях виявлення газів, вони можуть виявляти озон, формальдегід, оксид уг勒оду, аміак, сірководневодню кислоту, двоокис сіри, двоокис азоту, кисень та інші гази, зазвичай використовуються у переносній техніці та приладах для онлайн-моніторингу газів.

1. Датчик вологості

Вологість є важливим показником повітряного середовища, між вологістю повітря та людського тіла існує тісна зв'язок через теплоту еваціяції. При високій температурі та високій вологості через труднощі еваціяції води з людського тіла виникає тиск. При низькій температурі та високій вологості процес віддавання тепла тілом інтенсивний, що легко може призвести до простуди або заморожування. Найбільш відповідна температура для людського тіла становить 18~22℃, а відносна вологість - 35%~65% В. У середовищному та санітарному контролі для визначення вологості повітря часто використовуються прилади, такі як термогігрометр з мокрою стрілкою, ручний гігрометр та вентиляційний гігрометр.

У останні роки було опубліковано велику кількість літературних джерел про використання сенсорів для визначення вологості повітря. Пієзоелектричні кварцеві кристали, покриті оболонкою, які використовуються для визначення відносної вологості, виготовляються у вигляді маленьких кварцевих пієзоелектричних кристалів методами фотолітографії та хімічного етчингу, і чотири речовини наносяться на кварцеві кристали AT-різання частотою 10 МГц, які мають високу масову чутливість до вологості. Кристал є резонатором у коливального кола, частота якого змінюється з масою, і за допомогою вибору відповідної оболонки сенсор може бути використаний для визначення відносної вологості різних газів. Чутливість, лінійність відгуку, час відгуку, селективність, гістерезис та тривалість життя сенсора залежать від природи хімічних речовин оболонки.

2、Сенсор оксиду азоту

Оксид азоту — це різновид оксидів азоту, що складається з суміші газів, часто виражається як NOX. У оксиді азоту хімічна стійкість різних форм оксидів азоту відрізняється, у повітрі вони часто діляться на відносно стійкий за хімічними властивостями оксид азоту (I) та двокис азоту, їхнє значення в гігієні виглядає важливішим, ніж інших форм оксидів азоту.

У аналізі середовища азотний оксид зазвичай посилається на двокис азоту. Китайський стандартний метод спостереження за азотними оксидами - це колориметричний метод натропену етиленедіаміну гідрохлориду, чутливість методу становить 0,25 мкг/5 мл, коефіцієнт перетворення методу впливається складом поглинаючого розчину, концентрацією двокису азоту, швидкістю збірки газу, структурою поглиначної трубки, співісністю іонів та температурою, а також багатьма іншими факторами, що не є повністю уніфікованими. Визначення датчиком - це новий метод, який був розроблений останнім часом.

3, Датчик газу сірководню

Сероводін є безфарбним, горючим газом з особливим запахом тухлих яєць, який є розтичуючим і душлявим, а також шкідливим для людського organism. Багато методів використовують колориметрію і газову хроматографію для визначення сероводину в повітрі. Визначення забруднювачів повітря, концентрація яких часто досягає рівня мг/м³, є однією з головних застосувань газових сенсорів, але напівпровідникові газові сенсори не можуть задовольнити вимогам чутливості і вибірковості для моніторингу певних забруднюючих газів у короткий час.

Масив сенсорів тонких плівок з додатком срібла складається з чотирьох сенсорів, які одночасно реєструють концентрації двокису сірки і сероводину за допомогою універсального аналізатора на основі кулонометричного титрування і сигналів від масиву напівпровідниківих газових сенсорів. На практиці виявилося, що тонкі плівки з додатком срібла, які використовуються при 150 °C у режимі постійної температури, ефективні для моніторингу вмісту сероводину в міському повітрі.

4. Датчик двоокиси серни

Двоокись серни є однією з головних речовин, які забруднюють повітря, і виявлення двоокиси серни в повітрі є регулярною частиною тестування повітря. Застосування датчиків у моніторингу двоокиси серни показало велику перевагу, від скорочення часу виявлення до зниження граничного рівня виявлення. Тверді полімери використовуються як іонні обмінні мембрани, з одним боком мембран, що містить внутрішні електроліти для протилежного та референтного електродів, а також вбудований платиновий електрод на іншому боці для формування датчика двоокиси серни. Датчик монтується у поточну коморку і окислює двоокис серни при напругі 0.65V. Потім вказується вміст двоокиси серни. Чутливий пристрій виявляє високу струмову чутливість, короткий час відгуку, хорошу стабільність, низький фоновий шум, лінійний діапазон 0.2 ммоль/л, граничний рівень виявлення 8*10-6 ммоль/л та стосунок сигналу до шуму 3.

Датчик не тільки може виявляти двокис сірки у повітрі, але й використовуватися для виявлення двокису сірки у рідині з низькою електропровідністю. Газочутливе покриття органічно модифікованого силікатного тонкого пленкового датчика двокису сірки було створено за допомогою процесу соль-гель і технології центрування. Це покриття вказує відмінну повторюваність і оборотність при визначенні двокису сірки, з швидким часом відгуку менше 20 секунд. Крім того, він демонструє мінімальне взаємодіяння з іншими газами і слабо піддається впливу змін температури та вологоści.