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(diǎn)，指出基于 固體聚合物電解質(zhì)和氣體擴(kuò)散電極而制備的電化學(xué)NO 傳感器將成為未來(lái)NO 電化學(xué)傳感器開(kāi) 發(fā)的熱點(diǎn)． 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 鹽度計(jì)| 酸堿度計(jì)| 電導(dǎo)計(jì)| 水分測(cè)定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀|

0引語(yǔ) NO (NO和N02)是大氣污染物中的主要?dú)怏w， 主要來(lái)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(guò)程．NO 不僅能破壞臭氧層，轉(zhuǎn)化 成酸雨，且在陽(yáng)光下易與碳?xì)浠�合物或揮發(fā)性有機(jī) 物(VOC)作用，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，引起呼吸道疾病， 嚴(yán)重威脅人類的生存與健康，不少國(guó)家已經(jīng)立法對(duì) NO 的排放進(jìn)行嚴(yán)格控制．因此對(duì)NO 的濃度進(jìn)行 定量監(jiān)測(cè)與控制是十分必要的． 傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)NO 的方法有Saltzman法、化學(xué)發(fā) 光法、氣相色譜法等，這些測(cè)定方法靈敏度高、檢測(cè) 限低，但裝置復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不能實(shí)現(xiàn)NO 的現(xiàn)場(chǎng) 連續(xù)監(jiān)測(cè)．比較而言，NO 化學(xué)傳感器則能滿足簡(jiǎn) 便、快速、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等要求．根據(jù)測(cè)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(jià)格低廉、結(jié) 構(gòu)緊湊、攜帶方便、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)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(shì)和NO 濃 度(或分壓)之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)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(guò)透氣膜擴(kuò)散，進(jìn)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(guò)薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴(kuò)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(kuò)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(guò)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(qiáng)度與被測(cè)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(diǎn)外，還可通過(guò)將工作電極恒定在不同的電位 分別測(cè)定NO，和NO的濃度．如：金或鉑氣體擴(kuò)散電 極為工作電極，控制電位0．8 V(VS SHE)，NO2通過(guò) 多孔的聚四氟乙烯膜，擴(kuò)散到工作電極上，在三相界 面上會(huì)發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)： NO2+2H +2e一_一+NO+H20 同時(shí)在對(duì)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(dāng)控制電位1．5 V(VS SHE)，NO則會(huì)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(shì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，一般 由鉑網(wǎng)陰極和活性炭陽(yáng)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(dāng)NO：流過(guò)電解液時(shí)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(gè)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(yáng)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(dāng)流速一定時(shí)， 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(cè)量精度高、濃度范圍寬和可用 于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)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(huì)使傳感器失效．為 了延長(zhǎng)這類傳感器的壽命，人們開(kāi)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(shí)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(cè)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(zhǎng)期 穩(wěn)定性問(wèn)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(jī)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(shì)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(cè)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(dòng)電解質(zhì)，實(shí)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(wèn)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(shí)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(duì)于需要在常溫下監(jiān)測(cè)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(kuò)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(dòng)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(dòng)電解質(zhì)易漏液、干涸等缺點(diǎn)，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?yàn)樗�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(yáng)離子交換膜．本實(shí)驗(yàn)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(shí)用價(jià)值．

4 結(jié)束語(yǔ) NO 化學(xué)傳感器可滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)及過(guò)程控制的 需要，對(duì)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(kāi)發(fā)的各類NO 傳感器各具特點(diǎn)，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(kuò)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(diǎn)，將成為未來(lái)NO 傳感器開(kāi)發(fā)的 熱點(diǎn)．