氮氧化物電化學(xué)傳感器

氮氧化物電化學(xué)傳感器
摘要：比較了液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和固體聚合物電解質(zhì)NO 電化學(xué)傳感器的優(yōu)缺點，指出基于 固體聚合物電解質(zhì)和氣體擴散電極而制備的電化學(xué)NO 傳感器將成為未來NO 電化學(xué)傳感器開 發(fā)的熱點． 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導(dǎo)計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 折射儀| 采樣儀|

0引語 NO (NO和N02)是大氣污染物中的主要氣體， 主要來源于燃料(煤、燃料油)燃燒、汽車尾氣、金屬 冶煉及化工生產(chǎn)過程．NO 不僅能破壞臭氧層，轉(zhuǎn)化 成酸雨，且在陽光下易與碳氫化合物或揮發(fā)性有機 物(VOC)作用，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，引起呼吸道疾病， 嚴重威脅人類的生存與健康，不少國家已經(jīng)立法對 NO 的排放進行嚴格控制．因此對NO 的濃度進行 定量監(jiān)測與控制是十分必要的． 傳統(tǒng)的監(jiān)測NO 的方法有Saltzman法、化學(xué)發(fā) 光法、氣相色譜法等，這些測定方法靈敏度高、檢測 限低，但裝置復(fù)雜、價格昂貴，不能實現(xiàn)NO 的現(xiàn)場 連續(xù)監(jiān)測．比較而言，NO 化學(xué)傳感器則能滿足簡 便、快速、現(xiàn)場檢測等要求．根據(jù)測量原理的不同， NO 化學(xué)傳感器主要有聲表面波NO 化學(xué)傳感器、 NO 光纖化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體NO 化學(xué)傳感器和 NO 電化學(xué)傳感器等．其中，NO 電化學(xué)傳感器是利 用NO 氣體分子在傳感器的敏感電極上發(fā)生電化 學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變．與其他類型傳 感器相比，此類傳感器具有專一性好、價格低廉、結(jié) 構(gòu)緊湊、攜帶方便、可實現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點L1 J． 根據(jù)所采用電解質(zhì)類型的不同，NO 電化學(xué)傳感器 可分為液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和固體聚合物電解 質(zhì)3類．
1 液體電解質(zhì)NO 電化學(xué)傳感器
1．1 電位型NO 傳感器 電位型NO 傳感器是利用電極電勢和NO 濃 度(或分壓)之間的關(guān)系進行測量的一種電化學(xué)方 法．將一疏水透氣膜和pH離子選擇性電極結(jié)合構(gòu) 成NO 氣敏電極【 一-4 ．NO 氣體通過透氣膜擴散，進入中 電解質(zhì)溶液引起pH值的變化： 2NO2+H20 2H + NOf + NOr K：([H 32[NO3-兒NOr])／[NO2] ： c (H )c(NOf)c(NO2-)／c (NO2) [H J： k [NO2] c(H )： k c(N02)g E：E0+ RTlnc(H )／F：E0 +RTlnc(NO2) ／F= E0，+2．303RTlgP(N02)／F 但是這種傳感器選擇性很差，易受酸性物質(zhì)的 干擾．Meyerhaf等用硝酸根或亞硝酸根離子選擇性 電極代替pH離子選擇性電極從一定程度上改善了 傳感器的選擇性
1．2 電流型NO 傳感器 電流型NO 傳感器采用極限電流原理，利用氣 體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施，獲 得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的 極限擴散電流．電流型NO 傳感器又可分為定電位 電解型和伽伐尼電池型．
1．2．1 定電位電解型NO 傳感器 此類傳感器利 用NO 在傳感器的工作電極上的電化學(xué)氧化還原 過程，控制工作電極的電位，使氣體在電極上發(fā)生定 電位電解產(chǎn)生氧化還原電流，電流強度與被測NO 濃度成正比．它除具有響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好 等優(yōu)點外，還可通過將工作電極恒定在不同的電位 分別測定NO，和NO的濃度．如：金或鉑氣體擴散電 極為工作電極，控制電位0．8 V(VS SHE)，NO2通過 多孔的聚四氟乙烯膜，擴散到工作電極上，在三相界 面上會發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)： NO2+2H +2e一_一+NO+H20 同時在對電極上發(fā)生H20的氧化反應(yīng)： H20— 2H +1／202+2e一 總反應(yīng)為： NO2一NO +1／202 當控制電位1．5 V(VS SHE)，NO則會發(fā)生電化 學(xué)氧化反應(yīng)： NO + 2H20 NO3-+ 4H + 3e— 1．2．2 伽伐尼電池型NO 傳感器 此類傳感器不 需外加電勢，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點，一般 由鉑網(wǎng)陰極和活性炭陽極組成，電解質(zhì)為含有KI的 磷酸鹽緩沖溶液(pH：7)，在電極間有一很小的電 位差，當NO：流過電解液時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將I一氧化 為I2，生成的I2立即在鉑網(wǎng)陰極上還原為I一，便產(chǎn) 生了原電池的微小電流．活性炭電極則起一個相應(yīng) 的電氧化作用． 總反應(yīng)：2NO，+ 2I一— 2NO + I， 陰極：12+ 2e— 2I一 陽極：⋯ c (還原態(tài)) + 20H一 ⋯ C(氧化 態(tài))+ H20 +2e一 廣州市駿凱電子科技有限公司根據(jù)法拉第定律dQ／dt= nFd ／(Mdt)，因 為dQ／dt： ，，d W／dt： ，所以，： nFvc／M．其 中，c為NO：的濃度， 為氣體流速，當流速一定時， 輸出電流與NO：濃度呈線性關(guān)系．液體電解質(zhì)NO 電化學(xué)傳感器由于測量精度高、濃度范圍寬和可用 于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點而被廣泛使用．但該類傳感器使 用水溶液電解質(zhì)，易漏液、干涸會使傳感器失效．為 了延長這類傳感器的壽命，人們開始研制固態(tài)NO 傳感器．

2 固體電解質(zhì)NO 電化學(xué)傳感器 固體電解質(zhì)是一類介于普通固體與液體之間的 特殊材料，由于它具有類似于液體的快速遷移特性 又被稱為快離子導(dǎo)體或超離子導(dǎo)體．1977年Gauthier 等_7j采用Ba(NO ) 首次制備了固體電解質(zhì)NO 傳 感器，但難以實用化．利用NASICON超離子導(dǎo)體與 亞硝酸鈉結(jié)合作為傳感物質(zhì)_8叫 ]以檢測空氣中的 NO2，其檢出限低于1×10～ ，且?guī)缀醪皇蹸O2，H20 和0，等共存氣體的影響，具有良好的響應(yīng)特性、耐 水性及抗干擾性，但在某些特殊情況下，還存在長期 穩(wěn)定性問題．相比之下，基于穩(wěn)定氧化鋯制備的NO 固體電解質(zhì)傳感器則具有良好的化學(xué)和機械穩(wěn)定 性．Miura等l1 ’]將老化的氧化鋯與混合金屬氧化 物結(jié)合，研制成高溫電勢或電流形式NO 傳感器． 在500℃ ～550℃ 的溫度下，摻雜有W(氧化釔)： 8％ 的氧化鋯能快速且有選擇性地檢測NO氣體． 應(yīng)用固體電解質(zhì)取代傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器中沿用 的流動電解質(zhì)，實現(xiàn)電化學(xué)傳感器件結(jié)構(gòu)的固態(tài)化， 消除了電解液易滲漏、干涸等問題，廣州市駿凱電子科技有限公司提高了傳感器的 穩(wěn)定性和實用性．，便于器件的一體化和集成化．但目 前大多數(shù)NO 固體電解質(zhì)傳感器需要在高溫條件 下工作，對于需要在常溫下監(jiān)測的各種氣體而言，其 應(yīng)用受到限制．

3 固體聚合物電解質(zhì)NO 電化學(xué)傳 感器 固體聚合物電解質(zhì)(SPE)和以其為基礎(chǔ)的氣體 擴散電極技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)造一種結(jié)構(gòu)緊湊、不含流 動電解質(zhì)溶液的氣體傳感器提供了可能．該電解質(zhì)具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好的離子導(dǎo)電性和離子選 擇性，既能避免流動電解質(zhì)易漏液、干涸等缺點，又 能避免高溫固體電解質(zhì)存在的缺陷，因而是一種理 想的電解質(zhì)材料． 現(xiàn)研究最多的是用Nation膜作為固體聚合物電 解質(zhì)，因為它是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和氫離子 導(dǎo)電能力的陽離子交換膜．本實驗室已研制成功固 體聚合物電解質(zhì)SPE系列傳感器SPE．O，，SPE．CO 等具有很大的實用價值．

4 結(jié)束語 NO 化學(xué)傳感器可滿足環(huán)境監(jiān)測及過程控制的 需要，對降低環(huán)境污染，保障人體健康具有十分重要 的意義．利用材料或器件的物理、化學(xué)或電化學(xué)特性 而開發(fā)的各類NO 傳感器各具特點，可滿足不同用 戶的需要．其中，基于固體聚合物電解質(zhì)和氣體擴散 電極而制備的電化學(xué)NO 傳感器兼具各類電化學(xué) NO 傳感器的優(yōu)點，將成為未來NO 傳感器開發(fā)的 熱點．