电化学气体传感器的四大分类以及特征

2020-08-14 13:28:44 湖南赛西 4

电化学气体传感器的工作原理主要是利用电极间的化学电位差。气体用于测量气体的浓度,另一种用作固定的参比电极。


这种类型的传感器特别使用恒定电位有两种工作模式:溶液模式和电池模式。使用的电解液可以是液体电解液,也可以是固体电解液体电解液,而液体电解液又分为电位型和电流型。电解液利用电极电位和气体测量了浓度之间的关系;电流型液体电解液基于限流原理,利用气体通过薄层采用气膜或毛细管扩散作为限流措施,以获得稳定的传质条件,并产生与气体浓度或分压成正比的气体。

限制扩散电流。电化学气体传感器是一种化学传感器,一般分为:

1.当保持电极与电解质溶液的界面电位恒定时,气体被直接氧化或还原,并流经外部电路电流作为传感器的输出。


2.溶解在电解液中并电离的气态物质的离子作用于离子副电极利用产生的电动势作为传感器输出,通过气体和电解质溶液的反应产生电解用电流作为传感器输出;


3.材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子及材料中的固定离子都不相同的传感器.


4.用有机电解液、有机凝胶电解液、固体电解液代替电解液传感器材料如分解和固体聚合物电解质一般可分为4类恒电位电解、电离亚电极型、电解液型和固体电解质型。

表1.6显示了电化学气体传感器的类型、现象和传感设备的材料和特性。下面将简要介绍这些类型的传感器。


表1.6 电化学气体传感器的种类、现象、传感器材料及特点

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(1)恒电位电解式气体传感器


恒电位电解气体传感器的原理是将电极与电解质溶液的界面保持在一定的电位,并进行测量电解,通过改变其设定电位,选择性地氧化或还原气体,从而定量地检测各种气体对于特定气体,设定电位由固有的氧化还原电位决定,但在电解过程中,它也会随电极材料的不同而变化电解液的类型各不相同。电解电流与气体浓度的关系为式中,1为电解电流;n为1mo气体产生的电子数;f为法拉第常数;A为气体扩散面积D为扩散系数;C为电解质溶液中的电解气体浓度为扩散层的厚度。在同一传感器中n、 fA,D均为常数,电解电流与气体浓度成正比。表1.6电化学气体传感器的类型、现象、传感器材料和特性


(2)离子电极式气体传感器


离子电极气体传感器的工作原理是:气体物质溶解在电解液中解离,产生离解离子作用在离子电极上产生电动势,电动势取出来代表气体浓度。这样的传感器它由工作电极、参比电极、内溶液和隔膜组成。以NH3传感器的检测为例,说明该气体传感器的工作原理。工作电极可以测量pH值玻璃电极,参比电极为Ag/AgCl电极,内溶液为NH4Cl溶液。NH4Cl分解后,生成铵离子NH4+,而水也弱解离,生成氢离子H,NH4和H保持平衡。浸入传感器在NH3中,NH3会通过隔膜进入内部,NH3增加,而H减少,即pH增加。通过玻璃电极通过检测pH值的变化,可以知道NH3的浓度。除NH3外,该传感器还可检测HCN(氰化氢)H2S、Sq、CO2和其他气体。离子电极型气体传感器出现较早,通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数,电化学气体传感器的主要优点是气体检测的高灵敏度和高选择性。



(3)电量式气体传感器


气体和电解液的反应原理是:与电解液反应产生电流它是传感器的输出,用来检测气体浓度。其工作电极和参比电极均为铂电极。以Cl2的检测为例,说明该传感器的工作原理。溴化MBr(M是单价金属)水溶液在两个铂电极之间,分解成Br,水也分解成H。在两个铂电极之间加入适量。电压和电流开始流动,然后由于H反应产生2,电极之间发生极化,电流停止流动。当传感器与Cl2接触时,Br被氧化为Br2,Br2与极化产生的H2反应。因此,电极部分分裂的H2去极化,从而产生电流。电流与2的浓度成正比,所以检测电流就可以检测到Cl2浓度。除Cl2外,这种类型的传感器还可以检测NH2、H2S等气体。


(4)固体电解质式气体传感器


固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解液的化学电池。从20世纪70年代开始固体电解质气体传感器由于具有高电导率、高灵敏度和高选择性等优点而得到迅速发展。目前已广泛应用于环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域。其产量大,应用范围广。用于金属氧化物半导体气体传感器。近年来,国外一些学者将固体电解质气体传感器分为以下几种传感器分为三类:①从被测气体中获得的离子吸附在材料中,与电解液中的移动离子(如氧气)相同传感器等;②被测气体吸附在材料中的离子不同于电解液中的移动离子,如由固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感器,用于测量氧气;③被测气体被吸附在材料中衍生离子不同于电解质中的流动离子和材料中的固定离子,如新开发的高质量传感器CO2固体电解质气体NaS传感器由固体电解质(nazr2Si2PO12)和辅助电极组成它由Na2CO3-BaCO3、li2CO3-CaO3、li2CO3-BaCO3组成。目前,新开发的高质量固体电解质气体传感器大多属于第三类,如:用于测量NO2固体电解质NaSiCON和辅助电极NO2-L2CO3组成的传感器,用于固体H2S的测量电解液ST-Au-WO3传感器:固体电解质4-ca2O3制成的测量NH3的传感器传感器:由固体电解质Ag0.4Na76和电极Ag-u制成的测量NO2的传感器。


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