CN104422717A - 具抗毒性催化元件及使用该催化元件的气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具抗毒性催化元件及使用该催化元件的气体传感器，该具抗毒性催化元件包括线圈、载体以及依次设置在所述载体上的催化剂层和抗毒层；所述线圈包括主体及自所述主体延伸出的延伸部，所述载体包覆在所述主体上；所述抗毒层为活性金属钌层或钌金金属层。本发明的具抗毒性催化元件，通过设置抗毒层赋予该催化元件的抗毒性，抗毒层为活性金属钌层或钌金金属层，对含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽具有很好的抵抗作用，防止催化元件中毒，保证催化元件的灵敏度。

Description

具抗毒性催化元件及使用该催化元件的气体传感器

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种用于气体检测的具抗毒性催化元件及使用该催化元件的气体传感器。

背景技术

在气体传感器中，用来检测可燃气体的气敏元件主要是载体催化元件，这种载体催化元件是将载有钯或其他贵金属催化剂的氧化铝或其它多孔陶瓷包覆在铂金或其合金制成的电热丝线圈而制成的。使用时，将加热丝加热到一定温度遇到可燃气体时在催化剂表面燃烧，燃烧放热导致温度的变化将改变电热丝的电阻，通过惠斯通电桥测出该电阻的变化进而确定可燃气体的浓度。然而，在被测气体中常常存在使载体催化剂中毒的物质，它们会使催化剂的灵敏度下降或者消失，许多含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽均能使催化剂中毒。因此，需要采取措施防止载体催化剂中毒。

目前，用来解决上述载体催化剂中毒的方法，包括在气体传感器中设置过滤层。过滤层可以填充在气体传感器壳体内，也可以放置在传感器顶端，可将进入气体传感器中会使载体催化剂中毒的气体滤去。而该过滤层一般采用活性炭作为过滤介质，这种过滤介质吸附有毒气体的同时，也吸附了几乎所有的高分子可燃性气体，使得运用该种活性炭作为过滤介质的过滤层应用受到一定的限制。此外，过滤层也难以完全将有毒气体滤去，会有小部分有毒气体仍进入气体传感器中，影响载体催化元件的灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种抗毒效果好的具抗毒性催化元件及使用该催化元件的气体传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具抗毒性催化元件，包括线圈、载体以及依次设置在所述载体上的催化剂层和抗毒层；所述线圈包括主体及自所述主体延伸出的延伸部，所述载体包覆在所述主体上；所述抗毒层为活性金属钌层或钌金金属层。

在本发明的具抗毒性催化元件中，所述活性金属钌层为钌的盐溶液浸渍到所述催化剂层上后经还原处理获得；

所述钌金金属层为钌与金的混合盐溶液浸渍到所述催化剂层上后经还原处理获得。

在本发明的具抗毒性催化元件中，所述钌的盐溶液的浓度为5-100mg/ml；所述钌与金的混合盐溶液的浓度为5-100mg/ml。

在本发明的具抗毒性催化元件中，所述线圈为铂丝线圈；所述载体的原料为三氧化二铝、二氧化硅和粘土中的一种或多种；所述催化剂层包括活性金属钯、活性金属铂及活性金属铱中的一种或多种。

在本发明的具抗毒性催化元件中，所述载体的制备是通过将所述原料配制成浆料、包裹在所述线圈上成型得到；所述载体的直径为0.3-1.0mm。

本发明还提供一种使用上述具抗毒性催化元件的气体传感器，包括具有内腔的壳体、设置在所述壳体内腔中的第一电路板以及与所述第一电路板连接的传感器组件，所述传感器组件包括具抗毒性催化元件和过滤板；

所述壳体上设有供气体进入所述内腔的通气口；所述过滤板对进入所述壳体内的气体进行过滤，所述过滤板设置在所述通气口位置处，所述具抗毒性催化元件设置在所述过滤板背向所述通气口的一侧。

在本发明的气体传感器中，所述过滤板包括多孔材料及由还原剂浸渍干燥后附着在所述多孔材料上的还原剂层，所述还原剂包括高锰酸钾和氢氧化钠的混合物。

在本发明的气体传感器中，所述过滤板制备：将所述高锰酸钾和氢氧化钠按重量比2-5:1配制成饱和溶液；将所述多孔材料于所述饱和溶液中浸渍10-60min；将浸渍有饱和溶液的多孔材料取出，于80-100℃下烘干。

在本发明的气体传感器中，所述多孔材料为玻璃纤维、陶瓷纤维或石棉。

在本发明的气体传感器中，所述传感器组件还包括与所述第一电路板连接的补偿元件以及第二电路板，所述第二电路板上设有插针，所述插针伸出所述壳体；

所述过滤板和所述通气口之间还设有对进入所述壳体内气体进行初次过滤的过滤罩，所述过滤罩上分布有数个通孔。

本发明的具抗毒性催化元件，通过设置抗毒层赋予该催化元件的抗毒性，抗毒层为活性金属钌层或钌金金属层，对含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽具有很好的抵抗作用，防止催化元件中毒，保证催化元件的灵敏度。

使用该具抗毒性的催化元件的气体传感器，具有抗毒性，使用时不受含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽的影响，检测结果准确；且，还通过在设置过滤板可先滤去大部分气体中的上述物质，再进行通过催化元件进行检测，进一步提高结果准确性，耐用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的具抗毒性催化元件的剖视结构示意图；

图2是本发明一实施例的气体传感器的剖视结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的具抗毒性催化元件，主要作为气体传感器中的气敏元件。如图1所示，本发明一实施例的具抗毒性催化元件1，包括线圈10、包覆线圈10的载体20以及依次设置在载体20上的催化剂层30和抗毒层40。通过抗毒层40的设置，保护了催化剂层30，避免一些对催化剂层30灵敏度有影响的物质直接接触催化剂层30导致催化剂层30中毒，灵敏度下降或消失。

其中，线圈10可包括主体11及自主体11延伸出的延伸部12，延伸部12用于该催化元件1安装在气体传感器中时，与气体传感器内的电路板连接。该线圈10主要采用铂丝线圈。

载体20包覆在线圈10的主体11上，其在主体11上可呈柱体、球体等形状；载体20的直径为0.3-1.0mm，优选0.4-0.6mm。该载体20的原料为三氧化二铝、二氧化硅和粘土中的一种或多种。载体20制作时，先将原料配制成浆料，再采用涂浆法包覆到线圈10上后成型。成型过程包括两次成型，第一次成型为浆料包覆后干燥成型，第二次成型是将第一次成型的结构进行焙烧成型。浆料配制时，将原料进行研磨、筛粉、干燥、称重，与适量的硝酸铝水溶液混合，即可得浆料。硝酸铝水溶液的质量份数为10-30%，原料与硝酸铝水溶液之间的配比可根据对实际要求的浆料浓稠度决定。

催化剂层30包括活性金属钯、活性金属铂及活性金属铱中的一种或多种，优选包括活性金属钯。该催化剂层30由钯、铂及铱中一种或多种的盐溶液浸渍到载体20上后经还原处理获得；还原处理包括烘干及焙烧，焙烧的时间可为30min-2小时。催化剂层30制作时，将包覆有载体20的线圈10浸渍在钯的盐溶液（如氯化钯或其它钯的盐溶液）、铂的盐溶液（如氯化铂或其它铂的盐溶液）或铱的盐溶液（如氯化铱或其它铱的盐溶液）中，经烘干、焙烧等处理对钯、铂或铱进行还原，形成包括活性金属钯、活性金属铂或活性金属铱的催化剂层30。

可以理解，该线圈、载体及催化剂层均可采用现有技术实现。

特别地，抗毒层40为活性金属钌层或钌金金属层。活性金属钌层为钌的盐溶液浸渍到催化剂层30上后经还原处理获得；钌的盐溶液浓度为5-100mg/ml，优选20gm/ml；浸渍的时间为5-60min，优选20min。该钌的盐溶液可为三氯化钌溶液或其他钌的盐溶液，经还原均可获得活性金属钌；还原处理包括烘干及焙烧，焙烧的时间可为30min-2小时。

钌金金属层为钌与金的混合盐溶液浸渍到催化剂层30上后经还原处理获得；该钌与金的混合盐溶液浓度为5-100mg/ml，优选20gm/ml；浸渍的时间为5-60min，优选20min；还原处理包括烘干及焙烧，焙烧的时间可为30min-2小时。在钌与金的混合盐溶液中，钌和金之间的比例可根据需要进行调节。

该实施例的具抗毒性催化元件1可采用如下方法制备：由铂丝经绕丝、切断、平丝及除芯工艺处理制成线圈10；在该线圈10的主体11上浸渍载体20的浆料，经成型后为包覆在主体11上的载体20；接着在载体20上浸渍三氯化钯，经烘干、焙烧等以形成催化剂层30；最后在催化剂层30上浸渍三氯化钌溶液，焙烧形成抗毒层40，即可获得具抗毒性催化元件1。

使用上述具抗毒性催化元件1的气体传感器，可用于含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽的气体检测，仍可获得准确的检测结果。

如图2所示，本发明一实施例的气体传感器，包括具有内腔的壳体2、设置在壳体2内腔中的第一电路板3以及与第一电路板3连接的传感器组件，壳体2上设有通气口21供气体进入内腔，

结合图1、2，该传感器组件包括具抗毒性催化元件1等元件，具抗毒性催化元件1即作为气体传感器中的气敏元件。该具抗毒性元件1主要通过其延伸部12焊接到第一电路板3上与第一电路板3连接。

其中，传感器组件还包括过滤板4，设置在通气口21处，用于对通过通气口21进入壳体2内的气体进出过滤。优选地，该过滤板4包括多孔材料及由还原剂浸渍干燥后附着在多孔材料上的还原剂层。多孔材料可为玻璃纤维、陶瓷纤维或石棉，还可为其它负载有氧化铝、石英、氧化锆或其它耐火氧化物的具纤维绒毛状或海绵状的材料；还原剂可包括高锰酸钾和氢氧化钠的混合物。

过滤板4制备时：将高锰酸钾和氢氧化钠按重量比2-5:1配制成饱和溶液；将多孔材料于饱和溶液中浸渍10-60min；将浸渍有饱和溶液的多孔材料取出，于80-100℃下烘干，即可得过滤板4。其中，高锰酸钾和氢氧化钠的重量比优选为3:1；浸渍时间优选为30min。

具抗毒性催化元1设置在过滤板4背向通气口的一侧，这样，先通过过滤板4滤去大部分对具抗毒性催化元1的催化剂层30有影响的物质（如含硫、卤素、硅等元素的化合物气体或挥发物蒸汽）后，再对通过过滤板4的气体进行检测，可减少具抗毒性催化元1的抗毒层40的负担，延长其寿命。

第一电路板3位于过滤板4远离通气口21的一侧，且可通过电路板套壳31安装在壳体2内。进一步，可在电路板套壳31与第一电路板3之间设置隔热垫8进行隔热。传感器组件还包括与第一电路板3连接的补偿元件5，用于对具抗毒性催化元件1检测结果进行补偿，以将更为准确的电信号输出至外界控制系统。在本实施例中，具抗毒性催化元件1和补充元件5均设置在第一电路板3上。

传感器组件还包括与第一电路板3连接的第二电路板6。该第二电路板6可设置在第一电路板3远离通气口21的一侧，且在第一电路板3和第二电路板6之间可设有用于密封防爆的填充物9。在第二电路板6上设有插针61，插针61伸出壳体2。通常，该插针61设有三个，分别为信号输出插针及电源供电插针。其中，信号输出插针为1个，通过信号输出插针与外置的检测系统连接，从而将具抗毒性催化元件1和补偿元件5检测后产生的电信号输出至外置的检测系统；电源供电插针为两个，用于外接电源，形成一个回路，为该气体传感器提供工作电源。

此外，过滤板4和通气口21之间还可设有过滤罩7，对进入壳体2内气体进行初次过滤，该过滤罩7上分布有数个通孔供气体通过。通过该过滤罩7可滤去气体中的颗粒物质。过滤罩7优选采用金属粉末压制成型的60-80目的粉末冶金罩。

上述补偿元件5、第一电路板3、第二电路板6、隔热垫8及填充物9等均可采用现有技术实现。可以理解的，抗毒性催化元件1并不限于上述结构的气体传感器中，现有技术中的其它的气体传感器也可适用。

实施例1：

称取高锰酸钾15g和氢氧化钠5g，配成水的饱和溶液，然后将多孔材料放入配好的饱和溶液中，浸泡时间为30min，取出放在搪瓷盘中在90℃烘干，同样的处理反复进行三次，得到过滤板。

称取1.000gγ-三氧化二铝和0.100g二氧化硅，加入到质量份数为10%的硝酸铝溶液中配成浆料，用涂浆法把铂丝线圈一次成型、焙烧两次成型，再浸渍含钯11%的氯化钯溶液、烘干，再重复浸渍一次、烘干、焙烧、蒸馏水水洗，最后浸渍5mg/ml三氯化钌，浸渍时间为5min，烘干、焙烧、蒸馏水水洗、烘干，最后用10%CH₄还原激活，经过4-6天的甲烷老化和8小时的空气老化，得到具抗毒性催化元件。

然后将过滤板和具抗毒性催化元件装配到催化燃烧气体传感器中。

抗硫化氢中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为24.2mV，接着打入0.01%H₂S，45min后甲烷的信号值平均下降6.0%。然后排尽气体，接着进行抗有机硅中毒实验。

抗有机硅中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为23.6mV，接着打入20ppmHMDS，45min后甲烷信号值下降9.5%。

实施例2：

称取高锰酸钾18g和氢氧化钠6g，配成水的饱和溶液，然后将多孔材料放入配好的饱和溶液中，浸泡时间为30min，取出放在搪瓷盘中在100℃烘干，同样的处理反复进行三次，得到过滤板。

称取1.000gγ-三氧化二铝和0.100g二氧化硅，加入到质量份数为20%硝酸铝溶液中配成浆料，用涂浆法把铂丝线圈一次成型、焙烧两次成型，再浸渍含钯11%的氯化钯溶液，烘干，再重复浸渍一次，烘干、焙烧、蒸馏水水洗，最后浸渍20mg/ml三氯化钌，浸渍时间为20min，烘干、焙烧、蒸馏水水洗、烘干，最后用10%CH₄还原激活，经过4-6天的甲烷老化和8小时的空气老化，得到具抗毒性催化元件。

然后将过滤板和具抗毒性催化元件装配到催化燃烧气体传感器。

抗硫化氢中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为26.2mV,接着打入0.01%H₂S，45min后甲烷的信号值平均下降2.0%。然后排尽气体，接着进行抗有机硅中毒实验。

抗有机硅中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为25.6%，接着打入20ppmHMDS，45min后甲烷信号值下降6.5%。

实施例3：

称取高锰酸钾21g和氢氧化钠7g，配成水的饱和溶液，然后将多孔材料放入配好的饱和溶液中，浸泡时间为30min，取出放在搪瓷盘中在100℃烘干，同样的处理反复进行三次，得到过滤板。

称取1.000gγ-三氧化二铝和0.100g二氧化硅，加入到质量份数为30%硝酸铝溶液中配成浆料，用涂浆法把铂丝线圈一次成型、焙烧两次成型，再浸渍含钯11%的氯化钯溶液，烘干，再重复浸渍一次，烘干、焙烧、蒸馏水水洗，最后浸渍100mg/ml三氯化钌，浸渍时间为20min，烘干、焙烧、蒸馏水水洗、烘干，最后用10%CH₄还原激活，经过4-6天的甲烷老化和8小时的空气老化，得到具抗毒性催化元件。

然后将过滤板和具抗毒性催化元件装配到催化燃烧气体传感器。

抗硫化氢中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为20.2mV,接着打入0.01%H₂S，45min后甲烷的信号值平均下降8.0%。然后排尽气体，接着进行抗有机硅中毒实验。

抗有机硅中毒实验：工作电压为3.3V，通入1%CH₄，平均信号值为18.6mV，接着打入20ppmHMDS，45min后甲烷信号值下降8.5%。

从上述实施例1-3的抗硫化氢中毒实验和抗有机硅中毒实验结果数据可知，采用具抗毒性催化元件后，获得信号值下降仅为2-9.5%（不超过10%），较于现有的未使用该抗毒性催化元件的信号值下降幅度（现有一般下降20%左右）减小，从而可知该抗毒性催化元件具有较好的抗毒性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具抗毒性催化元件，其特征在于，该具抗毒性催化元件（1）包括线圈（10）、载体（20）以及依次设置在所述载体（20）上的催化剂层（30）和抗毒层（40）；所述线圈（10）包括主体（11）及自所述主体（11）延伸出的延伸部（12），所述载体（20）包覆在所述主体（11）上；所述抗毒层（40）为活性金属钌层或钌金金属层。

2.根据权利要求1所述的具抗毒性催化元件，其特征在于，所述活性金属钌层为钌的盐溶液浸渍到所述催化剂层（30）上后经还原处理获得；

所述钌金金属层为钌与金的混合盐溶液浸渍到所述催化剂层（30）上后经还原处理获得。

3.根据权利要求2所述的具抗毒性催化元件，其特征在于，所述钌的盐溶液的浓度为5-100mg/ml；所述钌与金的混合盐溶液的浓度为5-100mg/ml。

4.根据权利要求1所述的具抗毒性催化元件，其特征在于，所述线圈（10）为铂丝线圈；所述载体（20）的原料为三氧化二铝、二氧化硅和粘土中的一种或多种；所述催化剂层（30）包括活性金属钯、活性金属铂及活性金属铱中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的具抗毒性催化元件，其特征在于，所述载体（20）的制备是通过将所述原料配制成浆料、包裹在所述线圈（10）上成型得到；所述载体（20）的直径为0.3-1.0mm。

6.一种使用权利要求1-5任一项所述的具抗毒性催化元件的气体传感器，其特征在于，包括具有内腔的壳体（2）、设置在所述壳体（2）内腔中的第一电路板（3）以及与所述第一电路板（3）连接的传感器组件，所述传感器组件包括具抗毒性催化元件（1）和过滤板（4）；

所述壳体（2）上设有供气体进入所述内腔的通气口（21）；所述过滤板（4）对进入所述壳体（2）内的气体进行过滤，所述过滤板（4）设置在所述通气口（21）处，所述具抗毒性催化元件（1）位于所述过滤板（4）背向所述通气口（21）的一侧。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述过滤板（4）包括多孔材料及由还原剂浸渍干燥后附着在所述多孔材料上的还原剂层，所述还原剂包括高锰酸钾和氢氧化钠的混合物。

8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述过滤板（4）制备：将所述高锰酸钾和氢氧化钠按重量比2-5:1配制成水的饱和溶液；将所述多孔材料于所述饱和溶液中浸渍10-60min；将浸渍有饱和溶液的多孔材料取出，于80-100℃下烘干。

9.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述多孔材料为玻璃纤维、陶瓷纤维或石棉。

10.根据权利要求6-9任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述传感器组件还包括与所述第一电路板（3）连接的补偿元件（5）以及第二电路板（6）；所述第二电路板（6）上设有插针（61），所述插针（61）伸出所述壳体（2）；

所述过滤板（4）和所述通气口（21）之间还设有对进入所述壳体（2）内气体进行初次过滤的过滤罩（7），所述过滤罩（7）上分布有数个通孔。