專利名稱：電化學(xué)co氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CO氣體傳感器，具體的說，涉及了一種電化學(xué)CO氣體傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
一氧化碳是無色、無味、易燃、易爆、有毒、有害的氣體，它對動物和人類具有高毒性，日常生活中，煤氣泄露而導(dǎo)致的死亡事件時有發(fā)生。一氧化碳達(dá)到400X 10_6體積分?jǐn)?shù)時，經(jīng)過I 2小時，人將出現(xiàn)頭痛、惡心，達(dá)到1600 X 10_6體積分?jǐn)?shù)時，20分鐘后，人會感到頭痛、頭暈，經(jīng)過大約I小時就會導(dǎo)致死亡，因此，對一氧化碳的檢測就成為國內(nèi)外科學(xué)工作者的研究熱點。目前，主要采用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器和電化學(xué)傳感器對一氧化碳進(jìn)行檢測；應(yīng)用比較廣泛的金屬氧化物半導(dǎo)體型氣體傳感器，因其靈敏度較高，成本低廉而得以廣泛的應(yīng)用，但是，利用此類氣體傳感器在進(jìn)行實際檢測時，需要在高溫環(huán)境下工作，而且，通常在傳感器中附帶一加熱系統(tǒng)，一般將其加熱并恒溫在300°C以上，這不僅消耗大量電能，而且也給氣體檢測帶來很大不便，同時，對一氧化碳檢測來說，還缺少應(yīng)有的防火防爆性能；金屬氧化物半導(dǎo)體型一氧化碳傳感器的另一個缺點就是其響應(yīng)信號與待測氣體中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)之間缺少確定的線性關(guān)系，不適于作為定量檢測儀器的敏感信號，而只能用于半定量檢測或定點報警，而且氣體分辨率差，往往對可燃?xì)怏w或還原性氣體具有廣譜響應(yīng)，很難實現(xiàn)對一氧化碳的單一選擇性。電化學(xué)CO傳感器一般使用含酸性電解液的液態(tài)電解質(zhì)傳感器，不僅可以在室溫條件下工作，而且傳感器響應(yīng)輸出信號大，靈敏度高，同時也有效地避免了一氧化碳因與氧氣直接接觸而發(fā)生爆炸的危險，但是它也存在著難以克服的缺點電解液的蒸發(fā)或污染常導(dǎo)致傳感器信號衰竭，使用壽命縮短；另外，催化劑長期與電解液直接接觸，反應(yīng)的有效區(qū)域，即氣、液、固三相界面容易發(fā)生移動，使催化活性降低；在干燥的氣氛中，特別是在通氣條件下，傳感器的電解液很容易失水而千涸，致使傳感器失效；此外，還容易發(fā)生漏液現(xiàn)象，腐蝕電子線路。近年來，由于采用全氟磺酸陽離子交換膜的固態(tài)電解質(zhì)型CO傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、無腐蝕等特點，而得到了廣泛的關(guān)注，但是Nafion膜的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較聞。為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術(shù)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供了一種靈敏度高、響應(yīng)時間短、性 能優(yōu)異的電化學(xué)CO氣體傳感器，還提供了一種加工工藝簡單、生產(chǎn)成本低、易于實現(xiàn)的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種電化學(xué)CO氣體傳感器，包括有膜電極，所述膜電極是PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜以及分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的工作電極和對電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜是含有五氧化二磷的聚偏氟乙烯復(fù)合質(zhì)子膜。基于上述，所述工作電極和所述對電極是分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的催化劑層，所述催化劑層是將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料噴涂或印制于所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜側(cè)面而制成?！N電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法,它包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法,該PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法包括以下步驟
步驟I、將P2O5溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 30%的P2O5溶液，再將PVDF粉末溶解于所述P2O5溶液中，攪拌，直至PVDF粉末完全溶解；其中，每10毫升的P2O5溶液中溶解有2克 3克的PVDF粉末；
步驟2、將得到的溶液澆鑄到膜模具中，澆鑄后，將膜模具在35 65°C下干燥，然后，冷卻至常溫，再放入去離子水中脫膜，所得膜的厚度為0. 05 0. 15mm ；
步驟3、將所得膜浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 60%的磷酸溶液中，浸酸溫度為40 60°C，浸酸時間為30 60分鐘；
步驟4、所得膜經(jīng)浸酸處理后，使用去離子水沖洗干凈，室溫下干燥，即可得到PVDF復(fù)合質(zhì)子膜。 基于上述，將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料，采用噴涂方式或印制方式，在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的兩側(cè)面分別制作催化劑層?；谏鲜?，所述催化劑漿料包括有催化劑鉬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion乳液和乙二醇?；谏鲜?，所述催化劑層中鉬含量為0. 4mg/cm2?；谏鲜?，在步驟I中，PVDF粉末完全溶解后，再靜置2 3小時?；谏鲜?，在步驟2中，將膜模具放到35 65°C的烘箱中，干燥I 3小時后取出，然后，冷卻至常溫。本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，具體的說，該電化學(xué)CO氣體傳感器采用含有五氧化二磷的聚偏氟乙烯復(fù)合質(zhì)子膜，不僅提高了電化學(xué)傳感器的靈敏度，減短了傳感器的響應(yīng)時間，而且傳感器的輸出線性特性好；通過該制備方法能夠易于實現(xiàn)PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制作，可進(jìn)一步降低傳感器的成本，提高傳感器的性能。


圖I是實施例中所述電化學(xué)CO氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器在不同濃度的CO氣體中的輸出電流值曲線。圖3是本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器分別在100ppm、200ppm、300ppm的CO氣體中的響應(yīng)時間曲線。圖4是本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器與使用Nafion質(zhì)子膜的電化學(xué)CO氣體傳感器在200ppm的CO氣體中的響應(yīng)時間曲線。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖I所示，一種電化學(xué)CO氣體傳感器，包括有膜電極10、蓋帽I、氣體過濾器2、絕緣密封圈3、上進(jìn)氣控制板4、上疏水氣體擴散層5、絕緣隔離環(huán)6、下疏水氣體擴散層7、下進(jìn)氣支撐板8和外殼9 ;其中，蓋帽I靠近工作電極極端的位置設(shè)置有上下進(jìn)氣口，外殼9靠近對電極極端的位置設(shè)置有開口部收緊槽，槽下部裝去離子水。所述膜電極10是PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜以及分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的工作電極和對電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜是含有五氧化二磷的聚偏氟乙烯復(fù)合質(zhì)子膜；所述工作電極和所述對電極是分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的催化劑層，所述催化劑層是將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料噴涂或印制于所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜側(cè)面而制成?！N電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法,它包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法,該PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法包括以下步驟
步驟I、將P2O5溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 30%的P2O5溶液，再將PVDF粉末溶解于所述P2O5溶液中，用攪拌器攪拌，直至PVDF粉末完全溶解均勻，再靜置2 3小時；其中，每10毫升的P2O5溶液中溶解有2克 3克的PVDF粉末；
步驟2、將得到的溶液澆鑄到膜模具中，澆鑄后，將膜模具放到35 65°C的烘箱中，干燥I 3小時后取出，冷卻至常溫，再放入去離子水中脫膜，所得膜的厚度為0. 05 0. 15mm ；
步驟3、將所得膜浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 60%的磷酸溶液中，浸酸溫度為40 60°C，浸酸時間為30 60分鐘；
步驟4、所得膜經(jīng)浸酸處理后，使用去離子水沖洗干凈，室溫下干燥，即可得到PVDF復(fù)合質(zhì)子膜?；谏鲜?，將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料，采用噴涂方式或印制方式，在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的兩側(cè)面分別制作催化劑層；其中，本實施例采用了金屬鉬作為催化劑，即，所述催化劑漿料包括有催化劑鉬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion乳液和乙二醇，所述催化劑層中鉬含量為0. 4mg/cm2。對本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器分別進(jìn)行關(guān)于線性特性、響應(yīng)時間和靈敏度的測試
I、在不同濃度的CO氣體中,米用本發(fā)明所述的同一電化學(xué)CO氣體傳感器米集輸出電流，其輸出電流值曲線如圖2所示；很顯然，電化學(xué)CO氣體傳感器的輸出電流與CO的測試濃度具有很好的線性特性。
2、在100ppm、200ppm、300ppm的CO氣體中，本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器的三種響應(yīng)時間曲線如圖3所示，其中，帶方點曲線為IOOppm的CO氣體的響應(yīng)時間曲線，帶菱形點曲線為200ppm的CO氣體的響應(yīng)時間曲線，帶三角點曲線為300ppm的CO氣體的響應(yīng)時間曲線；很顯然，CO氣體濃度為100ppm、200ppm、300ppm時，T90 < 10s，傳感器對CO氣體的響應(yīng)特性良好。3、在200ppm的CO氣體中，本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器與使用Nafion質(zhì)子膜的電化學(xué)CO氣體傳感器的響應(yīng)時間曲線如圖4所示，其中，帶方點的曲線為本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器的響應(yīng)時間曲線，輸出電流為0. 7 u A，帶三角點的曲線為使用Nafion質(zhì)子膜的電化學(xué)CO氣體傳感器的響應(yīng)時間曲線，輸出電流為0.3 ;很顯然，本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器的靈敏度明顯大于使用Nafion質(zhì)子膜的電化學(xué)CO氣體傳感器的靈敏度。基于同樣的道理，分別在 lOOppm、150ppm、250ppm、300ppm、350ppm、400ppm 的 CO 氣體中，進(jìn)行對比試驗，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所述電化學(xué)CO氣體傳感器的靈敏度依舊明顯大于使用Nafion質(zhì)子膜的電化學(xué)CO氣體傳感器的靈敏度。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行修改或者對部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不 脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.ー種電化學(xué)CO氣體傳感器,包括有膜電極,其特征在于所述膜電極是PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜以及分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的工作電極和對電極，所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜是含有五氧化ニ磷的聚偏氟こ烯復(fù)合質(zhì)子膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)CO氣體傳感器，其特征在于所述工作電極和所述對電極是分別設(shè)置在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的催化劑層，所述催化劑層是將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料噴涂或印制于所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜側(cè)面而制成。
3.權(quán)利要求I或2所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于，它包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法，該PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法包括以下步驟步驟I、將P2O5溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 30%的P2O5溶液，再將PVDF粉末溶解于所述P2O5溶液中，攪拌，直至PVDF粉末完全溶解；其中，每10毫升的P2O5溶液中溶解有2克 3克的PVDF粉末；步驟2、將得到的溶液澆鑄到膜模具中，澆鑄后，將膜模具在35 65°C下干燥，然后，冷卻至常溫，再放入去離子水中脫膜，所得膜的厚度為O. 05 O. 15mm ;步驟3、將所得膜浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 60%的磷酸溶液中，浸酸溫度為40 60°C,浸酸時間為30 60分鐘；步驟4、所得膜經(jīng)浸酸處理后，使用去離子水沖洗干凈，室溫下干燥，即可得到PVDF復(fù)合質(zhì)子膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于將含有鉬或金或鉬釕合金的催化劑漿料，采用噴涂方式或印制方式，在所述PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的兩側(cè)面分別制作催化劑層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述催化劑漿料包括有催化劑鉬、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Nafion乳液和こニ醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述催化劑層中鉬含量為O. 4mg/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5或6所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于在步驟I中，PVDF粉末完全溶解后，再靜置2 3小吋。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5或6所述的電化學(xué)CO氣體傳感器的制備方法，其特征在于在步驟2中，將膜模具放到35 65°C的烘箱中，干燥I 3小時后取出，然后，冷卻至常溫。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電化學(xué)CO氣體傳感器及其制備方法，該傳感器的膜電極是PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極，PVDF復(fù)合質(zhì)子膜電極包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜以及分別設(shè)置在PVDF復(fù)合質(zhì)子膜兩側(cè)面的工作電極和對電極，PVDF復(fù)合質(zhì)子膜是含有五氧化二磷的聚偏氟乙烯復(fù)合質(zhì)子膜。該方法包括PVDF復(fù)合質(zhì)子膜的制備方法將P2O5溶解于N-甲基吡咯烷酮中，得到P2O5溶液，再將PVDF粉末溶解于所述P2O5溶液中；將得到的溶液澆鑄到膜模具中，再干燥、冷卻、脫膜；將所得膜浸酸處理，再沖洗干凈，干燥，即得。該傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時間短、性能優(yōu)異的優(yōu)點，該方法具有加工工藝簡單、生產(chǎn)成本低、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。
文檔編號G01N27/333GK102706938SQ20121021198
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者劉紅霞, 古瑞琴, 張小水, 武傳偉, 祁明鋒, 薛永亮, 谷永謙 申請人:鄭州煒盛電子科技有限公司