專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于人體口腔中酒精氣體含量測(cè)試及一般氣體中酒精濃度測(cè)試的傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器除廣泛應(yīng)用于警察測(cè)量駕駛員酒后駕車(chē)外，也開(kāi)始有了一些新的用途。例如汽車(chē)自動(dòng)鎖(interlock)，使酒后駕車(chē)人員無(wú)法啟動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，從根本上杜絕因酒后駕車(chē)而引起的交通事故。傳統(tǒng)的燃料電池式酒精傳感器的結(jié)構(gòu)如附圖所示，上下兩片多孔塑料片吸附電解質(zhì)3，兩面鍍有貴金屬催化劑涂布鉑粉形成電極2，密封于PVA塑料盒6中，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線8引出，外接一電阻4。當(dāng)口腔中含酒精的氣體從進(jìn)氣口1進(jìn)入傳感器腔內(nèi)時(shí)。與塑料片上方催化電極接觸，使乙醇失去電子，外電路接通后，便形成電流。電流在電阻兩端產(chǎn)生輸出電壓，這樣，口腔氣體中乙醇含量越高，電極表面生成電子數(shù)越多，直接反應(yīng)在輸出電壓值上。通過(guò)對(duì)輸出電壓的測(cè)量，即可精確知道人體血液中的乙醇含量。
該傳感器存在以下幾個(gè)問(wèn)題a多孔塑料片的孔徑多為10-20微米，對(duì)水的保持能力有限，隨時(shí)間的推移，水不斷揮發(fā)，引起電解質(zhì)濃度變化，從而影響測(cè)量精度；b電極是使用0.5-1.0微米的鉑粉制成漿料涂布于塑料片表面或直接在塑料表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)析出鉑粉而制成的，這樣表面電阻較高而會(huì)降低傳感器的感度；也有用鍍金來(lái)降低表面電阻的方法，這樣一來(lái)提高了成本；c用作電極的鉑粉沒(méi)有進(jìn)行有效的防氧化處理，影響了傳感器的使用壽命。
一般來(lái)說(shuō)，減小作為電極氧化反應(yīng)催化劑鉑粉的粒徑，增加了粉體的表面積，能有效地提高傳感器的感度和縮短感應(yīng)時(shí)間，但與此同時(shí)粉體更易被氧化，也就是常說(shuō)的催化劑的毒化，這樣一來(lái)反而破壞了傳感器的耐久性。目前已商業(yè)化的傳感器無(wú)法解決這一矛盾。
《一種對(duì)乙炔、酒精敏感的氣敏材料及其制作方法》(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?8125730)，它是以鎘、銦、釤的氧化物或鹽為原料，制得含離子摩爾比為Cd∶Sm∶In＝1.65-1.5∶0.5-0.4∶2的混合溶液，用堿液共沉淀，洗滌，過(guò)濾，烘干，在800℃燒4小時(shí)所得的氣敏材料，它可做成氣敏元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)狀，旨在提供一種能保持電解質(zhì)狀態(tài)的穩(wěn)定，增強(qiáng)電極同電解質(zhì)的電子交換能力，使用壽命長(zhǎng)的一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法。
本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)方式為，一種新型燃料電池型酒精傳感器，兩電極密封于PVA塑料盒6中，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線8引出，外接一電阻4，兩電極為上、下兩片離子交換膜吸附電解質(zhì)3，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑涂布鉑粉所形成的電極2。
一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法，其具體步驟如下a、離子交換膜經(jīng)酸和雙氧水沖洗，表面粗化，電子線照射處理，b、將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、將納米鉑或鉑合金分散液涂布在離子交換膜表面制備出催化電極，d、電極兩面通過(guò)導(dǎo)線8引出，并密封于PVA塑料盒6中，外接電阻4。
本傳感器能保持電解質(zhì)狀態(tài)的穩(wěn)定，增強(qiáng)電極同電解質(zhì)的電子交換能力，有高的感度和快的響應(yīng)時(shí)間，使用壽命長(zhǎng)。本制備方法科學(xué)合理。


附圖為氣體酒精傳感器結(jié)構(gòu)示意中還有PVA塑料盒6的空氣進(jìn)口5，出氣口7。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，傳感器是上、下兩片離子交換膜吸附電解質(zhì)，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑涂布鉑粉所形成的電極密封于PVA塑料盒中，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線引出，外接一電阻。鉑合金為鉑與含鈀、金、鋨、釕、銥的單一和多組分的合金，其中鉑含量為50-90％。
下面舉出鉑合金催化劑的配方(100％)實(shí)施例1、鉑80 鈀20 2、鉑80 金20 3、鉑87 鋨134、鉑90 釕10 5、鉑83 銥176、鉑70 金20 鈀10 7、鉑72 金20 鋨87、鉑76 金20 釕4 8、鉑78 金20 銥29、鉑59 鈀21 金10 10、鉑69 鈀20 鋨1111、鉑70鈀20 釕10 12、鉑70 鈀20 銥1013、鉑77鋨13 金10 14、鉑67 鋨20 鈀1315、鉑71鋨20 釕9 16、鉑68 鈀20 銥1217、鉑65釕25 金10 18、鉑61 釕20 鈀1919、鉑70釕22 鋨8 20、鉑82 釕11 銥721、鉑81銥4 金15 22、鉑75 銥10 鈀15
23、鉑70 銥20 鋨10 24、鉑90 銥5 釕525、鉑60 金20 鈀10 鋨10 26、鉑70 金20 鈀5 釕527、鉑66 金20 鈀10 銥428、鉑71 鈀5 金20 鋨429、鉑64 鈀10 釕6 鋨10 30、鉑62 鈀9 鋨10 銥1931、鉑58 金20 鈀12 鋨10 32、鉑60 釕20 鈀10 鋨1033、鉑55 銥15 鈀20 鋨10 34、鉑77 釕10 鈀10 鋨335、鉑78 釕6 鈀10 金636、鉑75 釕2 金20 鋨337、鉑54 金20 鈀10 鋨6釕1038、鉑52 金21 鈀10 鋨7銥1039 鉑58 銥20 鈀10 鋨6釕640 鉑50 金20 銥10 鋨10 釕1041、鉑52 金18 鈀12 銥8鋨5 釕5制備的具體步驟為，離子交換膜經(jīng)處理，將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，涂布在離子交換膜表面制備出催化電極，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線引出，并密封于PVA塑料盒中，外接電阻4。
傳感器最關(guān)鍵部件是兩面涂布有催化電極材料的電極，本發(fā)明采用美國(guó)Dupont公司生產(chǎn)的離子交換膜，為更好地發(fā)揮離子交換膜的特性，對(duì)其表面進(jìn)行了經(jīng)酸和雙氧水沖洗，表面粗化，電子線照射等處理。
本發(fā)明采用了化學(xué)還原法制備納米級(jí)鉑合金粉，致密地附著在離子交換膜表面，從而保證了極低表面電阻的同時(shí)，有效的提高了傳感器的感度和防氧化性，進(jìn)而極大的延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。
本發(fā)明的電極材料由化學(xué)反應(yīng)得到，鉑或鉑的合金納米粒子由鉑或鉑的合金鹽的水溶液通過(guò)還原反應(yīng)而制得。還原液中的還原劑可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、檸朦酸、檸朦酸鈉、水合肼、氨水、硼氫化鈉或DMF(N，N-dimethylform amide)。為得到更小粒徑的納米鉑以提高傳感器感度，可以在反應(yīng)液中加入與H2PtCl6摩爾比為5-20倍量的PVP(Polyvinylpyrrolidone)作為保護(hù)劑。
涂布采用直接浸涂或從水分散液中離心或蒸發(fā)分離出的合金納米粉制成漿料后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。絲網(wǎng)印刷方式是以PVP為膠粘劑，以水為溶劑，通過(guò)三輥研磨機(jī)分散成漿料，絲網(wǎng)印刷到離子交換膜表面。還可以使反應(yīng)液直接在離子交換膜表面發(fā)生還原反應(yīng)而生成納米薄膜。
將采用美國(guó)Dupont公司生產(chǎn)的Nafion117離子交換膜，鍍上含20％的鈀(Pd)的鉑(Pt)合金制成的傳感器單體同加拿大ACS公司單體做同樣測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)下表 注 感度為無(wú)單位相對(duì)值，隨外接電阻值而變化，直接對(duì)應(yīng)輸出電壓，同氣體中酒精濃度成正比，響應(yīng)時(shí)間(response time)指取樣開(kāi)始到感度達(dá)到峰值(peak voltage)時(shí)的時(shí)間，回歸時(shí)間(recovery time)指感度從峰值開(kāi)始到感度為零為止的時(shí)間。
本傳感器有更高的感度和更快的響應(yīng)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法，兩電極密封于PVA塑料盒(6)中，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線(8)引出，外接一電阻(4)，其特征在于兩電極是由上、下兩片離子交換膜吸附電解質(zhì)(3)，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑涂布鉑粉所形成的電極(2)。
2.一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法，其特征在于鉑合金為鉑與含鈀、金、鋨、釕、銥的單一和多組分的合金，其中鉑含量為50-90％。
3.權(quán)利要求1所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的制備方法，其特征在于其具體步驟如下a、離子交換膜經(jīng)酸和雙氧水沖洗，表面粗化，電子線照射處理，b、將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、將納米鉑或鉑合金分散液涂布在離子交換膜表面制備出催化電極，d、電極兩面通過(guò)導(dǎo)線8引出，并密封于PVA塑料盒6中，外接電阻4。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的制備方法，其特征在于電極材料由化學(xué)反應(yīng)得到，鉑或鉑的合金納米粒子由鉑或鉑的合金鹽的水溶液通過(guò)還原反應(yīng)而制得。還原液中的還原劑可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、檸朦酸、檸朦酸鈉、水合肼、氨水、硼氫化鈉或DMF(N，N-dimethylform amide)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的制備方法，其特征在于納米鉑或鉑合金在分散液中通過(guò)三輥研磨機(jī)(3-rolls miller)分散成漿料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的制備方法，其特征在于涂布采用直接浸涂或從水分散液中離心或蒸發(fā)分離出的合金納米粉制成漿料后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。
全文摘要
一種新型燃料電池型酒精傳感器及其制備方法，用于人體口腔中酒精氣體含量測(cè)試及一般氣體中酒精濃度測(cè)試的傳感器。傳感器是上、下兩片離子交換膜吸附電解質(zhì)，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑涂布鉑粉所形成的電極密封于PVA塑料盒中，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線引出，外接一電阻。制備的具體步驟為，離子交換膜經(jīng)處理，將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，涂布在離子交換膜表面制備出催化電極，電極兩面通過(guò)導(dǎo)線引出，并密封于PVA塑料盒中，外接電阻。本傳感器能保持電解質(zhì)狀態(tài)的穩(wěn)定，增強(qiáng)電極同電解質(zhì)的電子交換能力，有高的感度和快的響應(yīng)時(shí)間，使用壽命長(zhǎng)。本制備方法科學(xué)合理。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1609607SQ200410061159
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者賀平, 金航 申請(qǐng)人:賀平, 金航