Que savez-vous des capteurs électrochimiques

Le capteur électrochimique est un type de capteur qui s'appuie sur les propriétés électrochimiques de l'analyte pour transduire la quantité chimique en quantité électrique à des fins de détection et de détection.

Les premiers capteurs électrochimiques remontent aux années 1950, lorsqu'ils étaient utilisés pour la surveillance de l'oxygène. Et jusqu’aux années 1980, où ils étaient utilisés pour surveiller une large gamme de gaz toxiques et montraient une bonne sensibilité et sélectivité.

Ⅰ. Principe de fonctionnement du capteur électrochimique

 Les capteurs électrochimiques fonctionnent en réagissant chimiquement avec le gaz mesuré et en produisant un signal électrique proportionnel à la concentration du gaz. La plupart des capteurs de gaz électrochimiques génèrent un courant linéairement proportionnel à la concentration du gaz.

 Un capteur de gaz électrochimique fonctionne comme suit : Les molécules de gaz cibles en contact avec le capteur traversent d'abord un diaphragme qui empêche la condensation et agit également comme une barrière contre la poussière. Ensuite, les molécules de gaz diffusent à travers un tube capillaire, éventuellement à travers un filtre ultérieur, puis à travers une membrane hydrophobe jusqu'à la surface de l'électrode de détection. Là, les molécules sont immédiatement oxydées ou réduites, générant ou consommant ainsi des électrons générant ainsi un courant électrique.

 Il est important de noter que la quantité de molécules de gaz entrant ainsi dans le capteur est limitée par la diffusion à travers le capillaire. En optimisant le trajet, un signal électrique approprié est obtenu en fonction de la plage de mesure souhaitée. La conception de l'électrode de détection est essentielle pour obtenir une réactivité élevée au gaz cible et pour supprimer les réponses indésirables aux gaz interférents. Il s'agit d'un système en trois étapes pour les solides, les liquides et les gaz, et tous impliquent l'identification chimique du gaz à analyser. La cellule électrochimique est complétée par ce qu'on appelle la contre-électrode, l'électrode Cont, qui équilibre la réaction au niveau de l'électrode de détection. Le courant ionique entre l'électrode Cont et l'électrode Sen est transporté par l'électrolyte à l'intérieur du corps du capteur, tandis que le chemin du courant est assuré par un fil terminé par un connecteur à broches. Une troisième électrode est généralement incluse dans les capteurs électrochimiques (capteurs à 3 électrodes). Une électrode dite de référence est utilisée pour maintenir le potentiel de l'électrode de détection à une valeur fixe. A cet effet et généralement pour le fonctionnement des capteurs électrochimiques, un circuit à potentiel constant est nécessaire.

Ⅱ. Composants d'un capteur électrochimique

Le capteur électrochimique comprend les quatre composants clés suivants :

1. Membranes respirantes (également appelées membranes hydrophobes) : Ces membranes servent à recouvrir les électrodes de détection (catalytiques) et, dans certains cas, à réguler le poids moléculaire des gaz atteignant la surface de l'électrode. Généralement, ces membranes sont fabriquées à partir de films de Téflon à faible porosité. Lorsque ces membranes sont utilisées pour recouvrir les électrodes, les capteurs sont appelés capteurs revêtus. Alternativement, un film de Téflon à haute porosité peut être utilisé, ainsi qu'un capillaire, pour contrôler le poids moléculaire du gaz atteignant la surface de l'électrode. Cette configuration est connue sous le nom de capteur de type capillaire. En plus de fournir une protection mécanique au capteur, le film fonctionne également comme un filtre, éliminant les particules indésirables. Pour garantir que le poids moléculaire approprié du gaz puisse passer, il est crucial de sélectionner la taille d’ouverture appropriée pour la membrane et le capillaire. La taille de l'ouverture doit permettre à suffisamment de molécules de gaz d'atteindre l'électrode de détection tout en empêchant les fuites ou le séchage rapide de l'électrolyte liquide.

2. Électrode : Il est crucial de sélectionner soigneusement le matériau de l’électrode. Le matériau doit être catalytique, capable d’effectuer une réaction semi-électrolytique sur une période prolongée. En règle générale, les électrodes sont fabriquées à partir de métaux précieux, comme le platine ou l'or, qui réagissent efficacement avec les molécules de gaz par catalyse. Selon la conception du capteur, les trois électrodes peuvent être construites à partir de matériaux différents pour faciliter la réaction d'électrolyse.

3. Électrolyte : L'électrolyte doit être capable de faciliter les réactions électrolytiques et de transduire efficacement la charge ionique vers l'électrode. Il doit également former un potentiel de référence stable avec l'électrode de référence et être compatible avec les matériaux utilisés dans le capteur. De plus, une évaporation rapide de l'électrolyte peut entraîner un affaiblissement du signal du capteur, compromettant potentiellement sa précision et sa fiabilité.

4. Filtres : Parfois, des filtres épurateurs sont positionnés devant le capteur pour éliminer les gaz indésirables. La sélection de filtres est limitée, chaque type présentant un niveau d'efficacité distinct. Le charbon actif est le matériau filtrant le plus largement utilisé, filtrant efficacement la plupart des produits chimiques, à l'exception du monoxyde de carbone. En sélectionnant soigneusement le média filtrant approprié, les capteurs électrochimiques atteignent une sélectivité accrue envers les gaz visés.

Ⅲ. Classification du capteur électrochimique

Il existe de nombreuses façons de classer les capteurs électrochimiques. En fonction de leurs signaux de sortie variables, ils peuvent être divisés en capteurs potentiométriques, capteurs ampérométriques et capteurs conductométriques.

Selon les substances détectées par les capteurs électrochimiques, les capteurs électrochimiques peuvent être principalement classés en capteurs ioniques, capteurs de gaz et biocapteurs.

Ⅳ. Principales propriétés et facteurs d'influence

1. Sensibilité

Les principaux facteurs qui affectent la sensibilité comprennent : l’activité du catalyseur, l’admission d’air, la conductivité électrolytique et la température ambiante.

2. Récupération de réponse

Les principaux facteurs qui affectent la vitesse de récupération de la réponse sont l'activité du catalyseur, la conductivité de l'électrolyte, la structure de la chambre à gaz, les propriétés du gaz, etc.

3. Sélectivité/interférence croisée

Les principaux facteurs qui affectent la sélectivité comprennent le type de catalyseur, l'électrolyte, la tension de polarisation, le filtre, etc.

4. Répétabilité/Stabilité à long terme

Les facteurs affectant la répétabilité comprennent : la stabilité de la structure de l'électrode, la stabilité de l'électrolyte, la stabilité du circuit de gaz, etc.

5. Performances à haute et basse température

Les facteurs affectant la stabilité à haute et basse température comprennent : l’activité du catalyseur, la stabilité de la structure de l’électrode et les caractéristiques du gaz.

V. Quatre applications majeures des capteurs électrochimiques

Les capteurs électrochimiques sont largement utilisés dans les zones industrielles et civiles de détection de gaz, peuvent détecter l'ozone, le formaldéhyde, le monoxyde de carbone, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de soufre, le dioxyde d'azote, l'oxygène et d'autres gaz, couramment utilisés dans les instruments portables et les instruments de surveillance en ligne des gaz.

1. Capteur d'humidité

L'humidité est un indicateur important de l'environnement aérien, l'humidité de l'air et du corps humain a une relation étroite entre la chaleur d'évaporation, la température élevée et l'humidité élevée, en raison des difficultés d'évaporation de l'eau du corps humain et de la sensation d'étouffement, de basse température et humidité élevée, le processus de dissipation thermique du corps humain est intense, facile à provoquer des rhumes et des engelures. La température la plus appropriée pour le corps humain est de 18 à 22 ℃, l'humidité relative est de 35 à 65 % d'humidité relative. Dans la surveillance de l'environnement et de la santé, il est couramment utilisé dans les thermo-hygromètres à bulbe humide, les hygromètres à manivelle et les hygromètres de ventilation et d'autres instruments pour déterminer l'humidité de l'air.

Ces dernières années, un grand nombre de publications font état de l'utilisation de capteurs pour déterminer l'humidité de l'air. Les cristaux de quartz piézoélectriques enrobés utilisés pour la détermination de l'humidité relative sont transformés en petits cristaux piézoélectriques de quartz par des techniques de photolithographie et de gravure chimique, et quatre substances sont déposées sur les cristaux de quartz de 10 MHz coupés AT, qui ont une sensibilité de masse élevée à l'humidité. Le cristal est un résonateur dans un circuit oscillant dont la fréquence varie en fonction de la masse, et en sélectionnant le revêtement approprié, le capteur peut être utilisé pour déterminer l'humidité relative de différents gaz. La sensibilité, la linéarité de la réponse, le temps de réponse, la sélectivité, l'hystérésis et la durée de vie du capteur dépendent de la nature des produits chimiques de revêtement.

2. Capteur d'oxyde d'azote

L'oxyde d'azote est une variété d'oxydes d'azote composés d'un mélange de gaz, souvent exprimés en NOX. Dans l'oxyde d'azote, les différentes formes de stabilité chimique de l'oxyde d'azote sont différentes, l'air est souvent divisé en propriétés chimiques relativement stables du monoxyde d'azote et du dioxyde d'azote, leur importance en matière d'hygiène semble être plus importante que les autres formes d'oxyde d'azote.

Dans l'analyse environnementale, l'oxyde d'azote fait généralement référence au dioxyde d'azote. La méthode standard de la Chine pour surveiller les oxydes d'azote est la méthode colorimétrique du chlorhydrate de naphtalène éthylènediamine, la sensibilité de la méthode est de 0.25 ug/5 ml, la méthode de coefficient de conversion est affectée par la composition de la solution absorbante, la concentration de dioxyde d'azote, la vitesse de la collecte des gaz, la structure du tube absorbeur, la coexistence des ions et de la température et bien d'autres facteurs, pas complètement unifiés. La détermination par capteur est une nouvelle méthode développée ces dernières années.

3. Capteur de gaz sulfure d'hydrogène

Le sulfure d'hydrogène est un gaz incolore et combustible à l'odeur particulière d'œuf pourri, irritant, asphyxiant et nocif pour le corps humain. La plupart des méthodes utilisent la calorimétrie et la chromatographie en phase gazeuse pour déterminer le sulfure d'hydrogène dans l'air. La détermination de polluants atmosphériques dont la teneur est souvent aussi faible que le niveau en mg/m3 est l'une des principales applications des capteurs de gaz, mais les capteurs de gaz à semi-conducteurs ne sont pas en mesure de répondre aux exigences de sensibilité et de sélectivité pour surveiller certains gaz polluants sur une courte période. de temps.

Le réseau de capteurs à couche mince dopé à l'argent se compose de quatre capteurs qui enregistrent simultanément les concentrations de dioxyde de soufre et de sulfure d'hydrogène à l'aide d'un analyseur universel basé sur le titrage coulométrique et les signaux du réseau de capteurs de gaz semi-conducteurs. La pratique a montré que les capteurs à couche mince dopés à l’argent utilisés à 150 °C et à température constante sont efficaces pour surveiller la teneur en sulfure d’hydrogène dans l’air urbain.

4. Capteur de dioxyde de soufre

Le dioxyde de soufre est l’une des principales substances qui polluent l’air, et la détection du dioxyde de soufre dans l’air fait régulièrement partie des analyses de l’air. L'application de capteurs dans la surveillance du dioxyde de soufre a montré une grande supériorité, allant du raccourcissement du temps de détection à l'abaissement de la limite de détection. Des polymères solides sont utilisés comme membranes échangeuses d'ions, un côté de la membrane contenant des électrolytes internes pour les électrodes de compteur et de référence, et une électrode de platine insérée de l'autre côté pour former le capteur de dioxyde de soufre. Le capteur est monté dans une cellule à circulation et oxyde le dioxyde de soufre à une tension de 0.65 V. La teneur en dioxyde de soufre est alors indiquée. Le dispositif de détection présente une sensibilité de courant élevée, un temps de réponse court, une bonne stabilité, un faible bruit de fond, une plage linéaire de 0.2 mmol/L, une limite de détection de 8*10-6 mmol/L et un rapport signal/bruit. de 3.

Le capteur peut non seulement détecter le dioxyde de soufre dans l'air, mais également être utilisé pour détecter le dioxyde de soufre dans un liquide à faible conductivité. Le revêtement sensible aux gaz du capteur de gaz de dioxyde de soufre à couche mince de silicate organiquement modifié a été fabriqué à l'aide d'un processus sol-gel et d'une technologie de centrifugation. Ce revêtement présente une excellente reproductibilité et réversibilité dans la détermination du dioxyde de soufre, avec un temps de réponse rapide inférieur à 20 secondes. De plus, il présente une interaction minimale avec d’autres gaz et est peu influencé par les changements de température et d’humidité.