定电位电解型气体传感器.doc

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1、定电位电解型气体传感器定电位电解式传感器属于电化学能式传感器（ElectrochemicalSensors）中离子电池类传感器，通常用于气体检测，对还原性气体效果更明显，可检测氢气（H2）、氨气（NH3）、肼（N2H4）、二氧化硫（SO2）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）等气体。定电位电解式传感器是目前气体检测中最广泛使用的主流传感器，是一种可用于库仑分析的传感器。由于定电位电解式传感器中产生电流，常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。用定电位电解型气体传感器

2、检测不同气体时，有不同灵敏度。按灵敏度从高到低的排序，依次是H2S、NO、NO2、SO2和CO。响应时间一般为几秒至几十秒，一般小于1min。定电位电解型气体传感器的寿命较短，最短只有半年，2、3年寿命已属较长，少数CO传感器可长达几年。图1定电位电解式气体浓度传感器定电位电解式气体浓度传感器通过电极与被测气体发生电解反应，把化学能转换为电能，并产生电信号，其结构见图1。在一个容器内，安装三个电极和两片透气膜，浸没在液体电解液中。三个电极分别称为工作电极（传感电极）、参比电极（参考电极）和对电极，简称

3、W、R和C电极。工作电极材料和电解质根据被测气体选择，电极材料通常是具有催化活性的金属，如金、铂和铑等贵金属。一般情况下，电极结构是在透气憎水膜上涂覆高纯度粉末状的电极材料。工作电极、对电极和液体电解液构成电解系统，被测气体在溶入电解液后，在电极发生电解，产生电流。液体电解液吸收被测气体，使其溶解。电解质本身不参与电化学反应，只起吸收被测气体，输送反应生成的离子作用。透气膜，也称为疏水膜，用于覆盖并保护电极，滤除不需要的粒子，控制到达电极表面的气体量，防止液态电解质泄漏或燥结。透气膜通常采用低孔隙率材

4、料，如特氟隆，制成薄膜。为控制到达电极表面的气体量，需要选择适当的薄膜孔隙尺寸。孔隙尺寸应能够保证有足量的气体分子到达工作电极。由于两个电极上发生的反应使电极极化，电离子的生成和移动出现阻碍，工作电极和对电极之间的电势差难以维持恒定，阻碍反应继续进行。因此设置参比电极。参比电极在电解质中形成一个稳定的电化学电势即恒电位，克服因化学反应导致的电极极化现象，帮助电离子移动，便于电解过程持续进行。参比电极不参与电化学反应，故参比电极没有电流通过，从而保证了参比电极电势稳定在一定数值。检测不同气体时，需改变参

5、比电极的设定电势。定电位电解式气体浓度传感器的工作过程为：被测气体由进气孔穿过透气膜，扩散到工作电极表面，气体在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。由于参比电极上预先施加一定的电势，气体在该电势下进行氧化（如SO2或CO等）或者还原（如NO2）反应。施加给参比电极的电势，依反应性质、工作电极的热力学电势和被测气体的电化学性质而定。被测气体为SO2、CO、H2S和NO等气体时，工作电极处为氧化反应，被测气体为NO2和Cl2等气体时为还原反应。氧化反应时，工作电极在外电路为低电势，参加反应或反

6、应产生的电子经导线流出工作电极，在内电路中，生成正离子，流向对电极；还原反应时，工作电极在外电路为高电势，参加反应或反应产生的电子经导线流向工作电极，在内电路中，生成负离子，流向对电极。工作电极与对电极之间的电势差可根据能斯特方程确定。通过选择合适的参比电极的电势，使参比电极与工作电极的电势差变化值与被测气体浓度成正比，或者使工作电极的电流与被测气体浓度成正比。影响电势或电流的因素有参比电极电势、电解溶液浓度和液面高度以及反应温度等。在三电极定电位电解式气体浓度传感器中，输出信号为参比电极和工作电极之

7、间的电势差。由于参比电极不参与反应，自身为恒定电势，因此电势差变化只和工作电极的电势变化有关，而这个变化反映了被测气体浓度的变化。例如，用定电位电解式气体浓度传感器检测一氧化碳气体。在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体被氧化，反应产生的H+离子通过电解液转移到对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为工作电极：对电极：传感器内部总反应为可逆氧化-还原反应，总化学反应式为：可逆氧化-还原反应在工作电极和对电极间产生电势差，可按能斯特公式计算，为式中，E0为一氧化碳氧化为二氧化碳反应的标准电动势，V

8、。