Wat weet je over elektrochemische sensoren Nederland

De elektrochemische sensor is een type sensor dat afhankelijk is van de elektrochemische eigenschappen van de analyt om de chemische hoeveelheid om te zetten in een elektrische grootheid voor detectie en detectie.

De vroegste elektrochemische sensoren dateren uit de jaren vijftig, toen ze werden gebruikt voor zuurstofmonitoring. En tot in de jaren tachtig, toen ze werden gebruikt om een ​​breed scala aan giftige gassen te monitoren en een goede gevoeligheid en selectiviteit vertoonden.

Ⅰ. Werkingsprincipe van elektrochemische sensor

 Elektrochemische sensoren werken door chemisch te reageren met het te meten gas en een elektrisch signaal te produceren dat evenredig is aan de gasconcentratie. De meeste elektrochemische gassensoren genereren stroom die lineair evenredig is met de gasconcentratie.

 Een elektrochemische gassensor werkt als volgt: De doelgasmoleculen die in contact komen met de sensor passeren eerst een diafragma dat condensatie voorkomt en tevens als stofbarrière fungeert. Vervolgens diffunderen de gasmoleculen door een capillaire buis, mogelijk door een volgend filter, en vervolgens door een hydrofoob membraan naar het oppervlak van de detectie-elektrode. Daar worden de moleculen onmiddellijk geoxideerd of gereduceerd, waardoor elektronen worden gegenereerd of verbruikt en zo een elektrische stroom wordt gegenereerd.

 Het is belangrijk op te merken dat de hoeveelheid gasmoleculen die op deze manier de sensor binnenkomen, beperkt wordt door diffusie door het capillair. Door het pad te optimaliseren, wordt een geschikt elektrisch signaal verkregen volgens het gewenste meetbereik. Het ontwerp van de detectie-elektrode is essentieel om een ​​hoge respons op het doelgas te bereiken en ongewenste reacties op interfererende gassen te onderdrukken. Het gaat om een ​​drietrapssysteem voor vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, en ze omvatten allemaal chemische identificatie van het analytgas. De elektrochemische cel wordt gecompleteerd door de zogenaamde tegenelektrode, de Cont-elektrode, die de reactie bij de detectie-elektrode in evenwicht brengt. De ionenstroom tussen de Cont-elektrode en de Sen-elektrode wordt getransporteerd door de elektrolyt in het sensorlichaam, terwijl het stroompad wordt geleverd via een draad die wordt afgesloten met een pinconnector. Bij elektrochemische sensoren (sensoren met 3 elektroden) wordt doorgaans een derde elektrode meegeleverd. Er wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde referentie-elektrode om de potentiaal van de detectie-elektrode op een vaste waarde te houden. Voor dit doel en meestal voor de werking van elektrochemische sensoren is een constant-potentiaalcircuit vereist.

Ⅱ. Onderdelen van een elektrochemische sensor

De elektrochemische sensor bestaat uit de volgende vier belangrijke componenten:

1. Ademende membranen (ook bekend als hydrofobe membranen): Deze membranen dienen om de detectie- (katalytische) elektroden te bedekken en, in bepaalde gevallen, het molecuulgewicht te reguleren van gassen die het elektrodeoppervlak bereiken. Meestal worden deze membranen vervaardigd uit teflonfilms met een lage porositeit. Wanneer deze membranen worden gebruikt om de elektroden te bedekken, worden de sensoren gecoate sensoren genoemd. Als alternatief kan een teflonfilm met hoge porositeit worden gebruikt, samen met een capillair, om het molecuulgewicht van het gas dat het oppervlak van de elektrode bereikt te regelen. Deze configuratie staat bekend als een sensor van het capillaire type. Naast dat het de sensor mechanische bescherming biedt, fungeert de film ook als filter, waardoor ongewenste deeltjes worden geëlimineerd. Om ervoor te zorgen dat het juiste molecuulgewicht van het gas er doorheen kan, is het van cruciaal belang om de juiste openinggrootte voor zowel het membraan als het capillair te selecteren. De grootte van de opening moet ervoor zorgen dat voldoende gasmoleculen de detectie-elektrode kunnen bereiken, terwijl lekkage of snelle droging van de vloeibare elektrolyt wordt voorkomen.

2. Elektrode: Het is van cruciaal belang om het elektrodemateriaal zorgvuldig te selecteren. Het materiaal moet katalytisch zijn en in staat zijn om gedurende een langere periode een semi-elektrolytische reactie uit te voeren. Normaal gesproken zijn elektroden gemaakt van edelmetalen, zoals platina of goud, die door middel van katalyse efficiënt reageren met gasmoleculen. Afhankelijk van het ontwerp van de sensor kunnen de drie elektroden uit verschillende materialen zijn vervaardigd om de elektrolysereactie te vergemakkelijken.

3. Elektrolyt: De elektrolyt moet in staat zijn elektrolytische reacties te vergemakkelijken en op efficiënte wijze ionische lading naar de elektrode over te brengen. Het moet ook een stabiel referentiepotentiaal vormen met de referentie-elektrode en compatibel zijn met de materialen die in de sensor worden gebruikt. Bovendien kan een snelle verdamping van het elektrolyt leiden tot een verzwakking van het sensorsignaal, waardoor de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid ervan mogelijk in gevaar komen.

4. Filters: Af en toe worden scrubberfilters voor de sensor geplaatst om ongewenste gassen te elimineren. De keuze aan filters is beperkt, waarbij elk type een bepaald efficiëntieniveau vertoont. Actieve kool is het meest gebruikte filtermateriaal en filtert effectief de meeste chemicaliën uit, met uitzondering van koolmonoxide. Door zorgvuldig de juiste filtermedia te selecteren, bereiken elektrochemische sensoren een verhoogde selectiviteit ten opzichte van de beoogde gassen.

Ⅲ. Classificatie van elektrochemische sensor

Er zijn veel manieren om elektrochemische sensoren te classificeren. Afhankelijk van hun variërende uitgangssignalen kunnen ze worden onderverdeeld in potentiometrische sensoren, amperometrische sensoren en conductometrische sensoren.

Afhankelijk van de stoffen die door elektrochemische sensoren worden gedetecteerd, kunnen elektrochemische sensoren hoofdzakelijk worden ingedeeld in ionensensoren, gassensoren en biosensoren.

Ⅳ. Belangrijkste eigenschappen en beïnvloedende factoren

1. Gevoeligheid

De belangrijkste factoren die de gevoeligheid beïnvloeden zijn onder meer: ​​katalysatoractiviteit, luchtinlaat, geleidbaarheid van de elektrolyt en omgevingstemperatuur.

2. Reactieherstel

De belangrijkste factoren die de responsherstelsnelheid beïnvloeden zijn katalysatoractiviteit, geleidbaarheid van de elektrolyt, gaskamerstructuur, gaseigenschappen, enz.

3. Selectiviteit/kruisinterferentie

De belangrijkste factoren die de selectiviteit beïnvloeden zijn onder meer het type katalysator, elektrolyt, voorspanning, filter, enz.

4. Herhaalbaarheid/stabiliteit op lange termijn

Factoren die de herhaalbaarheid beïnvloeden zijn onder meer: ​​stabiliteit van de elektrodestructuur, stabiliteit van de elektrolyt, stabiliteit van het gascircuit, enz.

5. Prestaties bij hoge en lage temperaturen

Factoren die de stabiliteit bij hoge en lage temperaturen beïnvloeden, zijn onder meer: ​​katalysatoractiviteit, stabiliteit van de elektrodestructuur en gaskarakteristieken.

V. Vier belangrijke toepassingen van elektrochemische sensoren

Elektrochemische sensoren worden veel gebruikt in industriële en civiele gebieden van gasdetectie en kunnen ozon, formaldehyde, koolmonoxide, ammoniak, waterstofsulfide, zwaveldioxide, stikstofdioxide, zuurstof en andere gassen detecteren, die vaak worden gebruikt in draagbare instrumentatie en online gasmonitoringinstrumenten.

1. Vochtigheidssensor

Vochtigheid is een belangrijke indicator voor de luchtomgeving. De luchtvochtigheid van de lucht en het menselijk lichaam heeft een nauwe relatie tussen de verdampingswarmte, hoge temperatuur en hoge luchtvochtigheid, vanwege de problemen met de verdamping van water in het menselijk lichaam en het gevoel van benauwdheid, lage temperatuur en hoge luchtvochtigheid, het proces van de warmteafvoer van het menselijk lichaam is intens, gemakkelijk verkoudheid en bevriezing te veroorzaken. De meest geschikte temperatuur voor het menselijk lichaam is 18 ~ 22 ℃, de relatieve vochtigheid is 35% ~ 65% RH. Bij de milieu- en gezondheidsmonitoring wordt het vaak gebruikt in nattebolthermo-hygrometers, handbediende hygrometers en ventilatiehygrometers en andere instrumenten om de luchtvochtigheid te bepalen.

De laatste jaren wordt in een groot aantal literatuur gerapporteerd over het gebruik van sensoren om de luchtvochtigheid te bepalen. De gecoate piëzo-elektrische kwartskristallen die worden gebruikt voor de bepaling van de relatieve vochtigheid worden door fotolithografie en chemische etstechnieken tot kleine kwarts-piëzo-elektrische kristallen gemaakt, en op de AT-gesneden 10 MHz kwartskristallen worden vier stoffen gecoat, die een hoge massagevoeligheid voor vochtigheid hebben. Het kristal is een resonator in een oscillerend circuit waarvan de frequentie varieert met de massa, en door de juiste coating te selecteren kan de sensor worden gebruikt om de relatieve vochtigheid van verschillende gassen te bepalen. De gevoeligheid, responslineariteit, responstijd, selectiviteit, hysteresis en levensduur van de sensor zijn afhankelijk van de aard van de coatingchemicaliën.

2. Stikstofoxidesensor

Stikstofoxide is een verscheidenheid aan stikstofoxiden die zijn samengesteld uit een mengsel van gassen, vaak uitgedrukt als NOX. In het stikstofoxide zijn verschillende vormen van de chemische stabiliteit van stikstofoxide verschillend, de lucht wordt vaak verdeeld in relatief stabiele chemische eigenschappen van stikstofmonoxide en stikstofdioxide, hun betekenis voor de hygiëne lijkt belangrijker te zijn dan andere vormen van stikstofoxide.

In milieuanalyses verwijst stikstofoxide doorgaans naar stikstofdioxide. De standaardmethode van China voor het monitoren van stikstofoxiden is de colorimetrische methode van naftaleenethyleendiaminehydrochloride, de gevoeligheid van de methode is 0.25 ug/5 ml, de methode voor de conversiecoëfficiënt wordt beïnvloed door de samenstelling van de absorberende oplossing, de concentratie van stikstofdioxide, de snelheid van gasverzameling, de structuur van de absorberbuis, het naast elkaar bestaan ​​van ionen en temperatuur en vele andere factoren, die niet volledig uniform zijn. Sensorbepaling is een nieuwe methode die de afgelopen jaren is ontwikkeld.

3. Waterstofsulfidegassensor

Waterstofsulfide is een kleurloos, brandbaar gas met een bijzondere geur van rotte eieren, die irriterend en verstikkend is en schadelijk voor het menselijk lichaam. De meeste methoden maken gebruik van calorimetrie en gaschromatografie om waterstofsulfide in de lucht te bepalen. De bepaling van luchtverontreinigende stoffen waarvan het gehalte vaak zo laag is als het mg/m3-niveau is een van de belangrijkste toepassingen van gassensoren, maar halfgeleidergassensoren zijn niet in staat om te voldoen aan de gevoeligheids- en selectiviteitseisen voor het monitoren van bepaalde verontreinigende gassen in een korte periode. van tijd.

De met zilver gedoteerde dunne-filmsensorarray bestaat uit vier sensoren die gelijktijdig de concentraties zwaveldioxide en waterstofsulfide registreren met behulp van een universele analysator op basis van coulometrische titratie en de signalen van de halfgeleidergassensorarray. De praktijk heeft uitgewezen dat met zilver gedoteerde dunnefilmsensoren die bij 150 ° C bij constante temperatuur worden gebruikt, effectief zijn voor het monitoren van het waterstofsulfidegehalte in de stedelijke lucht.

4. Zwaveldioxidesensor

Zwaveldioxide is een van de belangrijkste stoffen die de lucht vervuilen, en het detecteren van zwaveldioxide in de lucht is een vast onderdeel van luchttesten. De toepassing van sensoren bij het monitoren van zwaveldioxide heeft een grote superioriteit getoond, van het verkorten van de detectietijd tot het verlagen van de detectielimiet. Vaste polymeren worden gebruikt als ionenuitwisselingsmembranen, waarbij één zijde van het membraan interne elektrolyten bevat voor de tegen- en referentie-elektroden, en een platina-elektrode aan de andere kant is geplaatst om de zwaveldioxidesensor te vormen. De sensor is gemonteerd in een doorstroomcel en oxideert zwaveldioxide bij een spanning van 0.65V. Vervolgens wordt het zwaveldioxidegehalte aangegeven. Het sensorapparaat vertoont een hoge stroomgevoeligheid, een korte responstijd, goede stabiliteit, weinig achtergrondruis, een lineair bereik van 0.2 mmol/L, een detectielimiet van 8*10-6 mmol/L en een signaal-ruisverhouding van 3.

De sensor kan niet alleen zwaveldioxide in de lucht detecteren, maar kan ook worden gebruikt om zwaveldioxide in vloeistoffen met een lage geleidbaarheid te detecteren. De gasgevoelige coating van de organisch gemodificeerde silicaat dunne film zwaveldioxidegassensor werd vervaardigd met behulp van sol-gel-proces en spintechnologie. Deze coating vertoont een uitstekende reproduceerbaarheid en omkeerbaarheid bij de bepaling van zwaveldioxide, met een snelle responstijd van minder dan 20 seconden. Bovendien vertoont het minimale interactie met andere gassen en wordt het minimaal beïnvloed door veranderingen in temperatuur en vochtigheid.