Какво знаете за електрохимичните сензори България

Електрохимичният сензор е вид сензор, който разчита на електрохимичните свойства на аналита, за да преобразува химическото количество в електрическо количество за усещане и откриване.

Най-ранните електрохимични сензори датират от 1950-те години на миналия век, когато са били използвани за мониторинг на кислорода. И до 1980-те години на миналия век, когато бяха използвани за наблюдение на широк спектър от токсични газове и показаха добра чувствителност и селективност.

Ⅰ. Принцип на работа на електрохимичен сензор

 Електрохимичните сензори работят, като реагират химически с измервания газ и произвеждат електрически сигнал, пропорционален на концентрацията на газ. Повечето електрохимични сензори за газ генерират ток, който е линейно пропорционален на концентрацията на газ.

 Електрохимичният газов сензор работи по следния начин: целевите газови молекули в контакт със сензора първо преминават през диафрагма, която предотвратява кондензацията и също така действа като прахова бариера. След това газовите молекули дифундират през капилярна тръба, вероятно през последващ филтър, и след това през хидрофобна мембрана към повърхността на сензорния електрод. Там молекулите незабавно се окисляват или редуцират, като по този начин генерират или консумират електрони, генерирайки електрически ток.

 Важно е да се отбележи, че количеството газови молекули, влизащи в сензора по този начин, е ограничено от дифузия през капиляра. Чрез оптимизиране на пътя се получава подходящ електрически сигнал според желания диапазон на измерване. Дизайнът на сензорния електрод е от съществено значение за постигане на висока чувствителност към целевия газ и за потискане на нежеланите реакции към смущаващи газове. Тя включва тристепенна система за твърди вещества, течности и газове и всички включват химическа идентификация на анализирания газ. Електрохимичната клетка е завършена от така наречения противоположен електрод, Cont електрод, който балансира реакцията на сензорния електрод. Йонният ток между електрода Cont и електрода Sen се транспортира от електролита в тялото на сензора, докато пътят на тока се осигурява през проводник, завършващ с щифтов конектор. Трети електрод обикновено се включва в електрохимични сензори (3-електродни сензори). Така нареченият референтен електрод се използва за поддържане на потенциала на чувствителния електрод на фиксирана стойност. За тази цел и обикновено за работата на електрохимичните сензори е необходима верига с постоянен потенциал.

Ⅱ. Компоненти на електрохимичен сензор

Електрохимичният сензор се състои от следните четири ключови компонента:

1. Дишащи мембрани (известни също като хидрофобни мембрани): Тези мембрани служат за покриване на сензорните (каталитични) електроди и в определени случаи регулират молекулното тегло на газовете, достигащи повърхността на електрода. Обикновено тези мембрани са произведени от тефлонови филми с ниска порьозност. Когато тези мембрани се използват за покриване на електродите, сензорите се наричат ​​сензори с покритие. Като алтернатива може да се използва тефлонов филм с висока порьозност, заедно с капиляр, за контролиране на молекулното тегло на газа, достигащ повърхността на електрода. Тази конфигурация е известна като сензор от капилярен тип. Освен че осигурява механична защита на сензора, филмът функционира и като филтър, елиминиращ нежеланите частици. За да се гарантира, че подходящото молекулно тегло на газа може да премине през него, от решаващо значение е да изберете подходящия размер на отвора както за мембраната, така и за капиляра. Размерът на отвора трябва да позволява на достатъчно газови молекули да достигнат до сензорния електрод, като същевременно предотвратява изтичане или бързо изсъхване на течния електролит.

2. Електрод: Изключително важно е да изберете внимателно материала на електрода. Материалът трябва да бъде каталитичен, способен да извършва полуелектролитна реакция за продължителен период от време. Обикновено електродите са изработени от благородни метали, като платина или злато, които реагират ефективно с газовите молекули чрез катализа. В зависимост от дизайна на сензора, трите електрода могат да бъдат изработени от различни материали, за да се улесни реакцията на електролиза.

3. Електролит: Електролитът трябва да може да улеснява електролитните реакции и ефективно да преобразува йонния заряд към електрода. Той също така трябва да формира стабилен референтен потенциал с референтния електрод и да е съвместим с материалите, използвани в сензора. Освен това бързото изпаряване на електролита може да доведе до отслабване на сигнала на сензора, което потенциално компрометира неговата точност и надеждност.

4. Филтри: Понякога скруберните филтри се поставят пред сензора, за да елиминират нежеланите газове. Изборът на филтри е ограничен, като всеки тип показва различно ниво на ефективност. Активният въглен е най-широко използваният филтърен материал, който ефективно филтрира повечето химикали, с изключение на въглеродния оксид. Чрез внимателно избиране на подходящата филтърна среда, електрохимичните сензори постигат повишена селективност спрямо предназначените за тях газове.

Ⅲ. Класификация на електрохимичния сензор

Има много начини за класифициране на електрохимичните сензори. В зависимост от техните различни изходни сигнали, те могат да бъдат разделени на потенциометрични сензори, амперометрични сензори и кондуктометрични сензори.

Според веществата, открити от електрохимични сензори, електрохимичните сензори могат да се класифицират главно на йонни сензори, газови сензори и биосензори.

Ⅳ. Основни свойства и влияещи фактори

1. Чувствителност

Основните фактори, които влияят на чувствителността, включват: активност на катализатора, всмукване на въздух, проводимост на електролита и температура на околната среда.

2. Възстановяване на реакцията

Основните фактори, които влияят върху скоростта на възстановяване на реакцията, са активността на катализатора, електролитната проводимост, структурата на газовата камера, свойствата на газа и др.

3. Селективност/Кръстосана интерференция

Основните фактори, които влияят на селективността, включват вида на катализатора, електролита, напрежението на отклонение, филтъра и др.

4. Повторяемост/Дългосрочна стабилност

Факторите, влияещи върху повторяемостта, включват: стабилност на електродната структура, стабилност на електролита, стабилност на газовата верига и др.

5、Ефективност при високи и ниски температури

Факторите, влияещи върху стабилността при висока и ниска температура, включват: активност на катализатора, стабилност на електродната структура и характеристики на газа.

V. Четири основни приложения на електрохимичните сензори

Електрохимичните сензори се използват широко в промишлени и граждански области за откриване на газ, могат да откриват озон, формалдехид, въглероден окис, амоняк, сероводород, серен диоксид, азотен диоксид, кислород и други газове, често използвани в преносими уреди и уреди за онлайн наблюдение на газ.

1. Сензор за влажност

Влажността е важен показател за въздушната среда, влажността на въздуха и човешкото тяло има тясна връзка между топлината на изпарение, високата температура и високата влажност, поради трудностите на човешкото тяло при изпаряване на водата и усещането за задушно, ниска температура и висока влажност, процесът на разсейване на топлината от човешкото тяло е интензивен, лесно причинява настинки и измръзване. Най-подходящата температура за човешкото тяло е 18 ~ 22 ℃, относителната влажност е 35% ~ 65% RH. В мониторинга на околната среда и здравето той обикновено се използва в термохигрометър с мокър термометър, хигрометър с ръчно задвижване и вентилационен хигрометър и други инструменти за определяне на влажността на въздуха.

През последните години голям брой литературни доклади съобщават за използването на сензори за определяне на влажността на въздуха. Покритите пиезоелектрични кварцови кристали, използвани за определяне на относителната влажност, са направени в малки кварцови пиезоелектрични кристали чрез фотолитография и техники за химическо ецване, а четири вещества са покрити върху кварцовите кристали AT-cut 10 MHz, които имат висока масова чувствителност към влажност. Кристалът е резонатор в осцилиращ кръг, чиято честота варира в зависимост от масата и чрез избор на подходящо покритие сензорът може да се използва за определяне на относителната влажност на различни газове. Чувствителността, линейността на реакцията, времето за реакция, селективността, хистерезисът и животът на сензора зависят от естеството на химикалите на покритието.

2、Сензор за азотен оксид

Азотният оксид е разнообразие от азотни оксиди, съставени от смес от газове, често изразявани като NOX. В азотния оксид различните форми на химическата стабилност на азотния оксид са различни, въздухът често се разделя на относително стабилни химични свойства на азотен оксид и азотен диоксид, тяхното значение в хигиената изглежда по-важно от другите форми на азотен оксид.

В анализа на околната среда азотният оксид обикновено се отнася до азотен диоксид. Стандартният метод на Китай за мониторинг на азотни оксиди е колориметричният метод на нафталин етилендиамин хидрохлорид, чувствителността на метода е 0.25 ug/5 ml, методът на коефициента на преобразуване се влияе от състава на абсорбиращия разтвор, концентрацията на азотен диоксид, скоростта на събирането на газ, структурата на абсорбиращата тръба, съвместното съществуване на йони и температура и много други фактори, които не са напълно унифицирани. Сензорното определяне е нов метод, разработен през последните години.

3、Сензор за газ сулфид

Сероводородът е безцветен, горим газ със специална миризма на развалени яйца, която е дразнеща и задушлива и е вредна за човешкия организъм. Повечето методи използват калориметрия и газова хроматография за определяне на сероводород във въздуха. Определянето на замърсители на въздуха, чието съдържание често е толкова ниско, колкото нивото на mg/m3, е едно от основните приложения на газовите сензори, но полупроводниковите газови сензори не са в състояние да отговорят на изискванията за чувствителност и селективност за мониторинг на определени замърсителни газове за кратък период от време от време.

Тънкослойният сензорен масив със сребро се състои от четири сензора, които записват едновременно концентрациите на серен диоксид и сероводород с помощта на универсален анализатор, базиран на кулонометрично титруване и сигналите от полупроводниковия газов сензорен масив. Практиката показва, че легирани със сребро тънкослойни сензори, използвани при 150 °C при постоянна температура, са ефективни за наблюдение на съдържанието на сероводород в градския въздух.

4. Сензор за серен диоксид

Серният диоксид е едно от основните вещества, които замърсяват въздуха, и откриването на серен диоксид във въздуха е редовна част от тестването на въздуха. Прилагането на сензори за наблюдение на серен диоксид показа голямо превъзходство, от съкращаване на времето за откриване до понижаване на границата на откриване. Твърдите полимери се използват като йонообменни мембрани, като едната страна на мембраната съдържа вътрешни електролити за противоположния и референтния електрод, а от другата страна е вмъкнат платинен електрод, за да образува сензора за серен диоксид. Сензорът е монтиран в проточна клетка и окислява серен диоксид при напрежение от 0.65 V. След това се посочва съдържанието на серен диоксид. Сензорното устройство показва висока токова чувствителност, кратко време за реакция, добра стабилност, нисък фонов шум, линеен диапазон от 0.2 mmol/L, граница на откриване от 8*10-6 mmol/L и съотношение сигнал/шум от 3.

Сензорът може не само да открива серен диоксид във въздуха, но и да се използва за откриване на серен диоксид в течност с ниска проводимост. Газочувствителното покритие на органично модифицирания силикатен тънкослоен газов сензор за серен диоксид е произведено чрез използване на зол-гел процес и технология на въртене. Това покритие показва отлична възпроизводимост и обратимост при определяне на серен диоксид, с бързо време за реакция от по-малко от 20 секунди. Освен това той демонстрира минимално взаимодействие с други газове и се влияе минимално от промените в температурата и влажността.