CN109270147A - 一种电化学磷化氢气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学磷化氢气体传感器，包括壳体、电解液以及在所述电解液中形成离子导通的工作电极、参考电极和对电极，所述工作电极、所述参考电极和所述对电极均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述工作电极上的所述混合物包括第一纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述参考电极上的所述混合物包括第二纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述对电极上的所述混合物包括第三纳米材料与聚四氟乙烯微粒。本发明提供的技术方案能够准确、迅速测量磷化氢气体的浓度，对磷化氢气体的浓度进行实时监测。

Description

一种电化学磷化氢气体传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电化学磷化氢气体传感器。
背景技术
磷化氢气体是一种无色、剧毒、易燃气体，常被用作高效熏蒸杀虫剂，广泛应用于对粮食仓库、皮毛仓库和船舱进行熏蒸杀虫。但是，磷化氢气体用作杀虫剂时，只在一定的浓度范围内有较好的杀虫效果，浓度太低无法对害虫造成伤害，浓度太高会使害虫保护性昏迷而无法杀死；同时，磷化氢气体使用不当或发生泄露时，会使周围人群发生急性中毒，对心脏、呼吸系统、肾、肠胃、神经系统和肝脏造成伤害。目前，为了保证杀虫效果和防止磷化氢气体泄露，常使用热导检测仪和气相色谱仪等来监测磷化氢气体的浓度，但是这些设备测量不够精确、耗时长，不方便携带。
发明内容
为了能够准确、迅速测量磷化氢气体的浓度，对磷化氢气体的浓度进行实时监测，本发明提供一种电化学磷化氢气体传感器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电化学磷化氢气体传感器，包括壳体、电解液以及在所述电解液中形成离子导通的工作电极、参考电极和对电极，所述工作电极、所述参考电极和所述对电极均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述工作电极上的所述混合物包括第一纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述参考电极上的所述混合物包括第二纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述对电极上的所述混合物包括第三纳米材料与聚四氟乙烯微粒。
本发明的有益效果是：电化学磷化氢气体传感器测量磷化氢气体浓度时，与外部电路连接，外部电路的输入分别与工作电极、参考电极和对电极连接，工作电极上的第一纳米材料用作催化剂，催化磷化氢气体在工作电极表面发生氧化反应，对电极上的第三纳米材料用作催化剂，催化对电极表面的还原反应，工作电极表面的氧化反应和对电极表面的还原反应会在外部电路中产生电流，电流的强度与磷化氢气体的浓度成正比，通过对外部电路中的电流进行测量和处理，就能得到磷化氢气体的实时浓度值。本发明的电化学磷化氢气体传感器响应速度快，灵敏度高，测量结果准确，能够实时监测磷化氢气体的浓度。参考电极不参与氧化还原反应，电位维持恒定，用于使工作电极的电位工作在正确区域，能够保持传感器的灵敏度，使传感器具有好的线性，减少干扰气体干扰。电极膜用于承载混合物，并且能够允许磷化氢气体分子通过，使磷化氢气体与第一纳米材料充分接触，保证磷化氢气体充分反应。聚四氟乙烯微粒为多孔结构，具有疏水、透气功能，能够促进氧化还原反应的进行。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述电极膜为聚四氟乙烯膜。
进一步：所述第一纳米材料包括金纳米材料和碳元素纳米材料中的至少一种。
进一步：所述第二纳米材料包括铂纳米材料和氧化铂的纳米材料中的至少一种。
进一步：所述第三纳米材料包括贵金属纳米材料。
进一步：所述贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种。
进一步：所述电解液为硫酸溶液或磷酸溶液。
进一步：所述硫酸溶液的浓度为4-10mol/L。
进一步：所述第一纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第二纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第三纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1。
附图说明
图1为本发明实施例的一种电化学磷化氢气体传感器的结构剖视图；
图2为本发明实施例的一种电化学磷化氢气体传感器的外部电路图；
图3为本发明实施例的一种电化学磷化氢气体传感器的磷化氢气体响应曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、壳体，2、工作电极，3、参考电极，4、对电极，5、储液槽，6、引脚，7、电解液，8、吸液材料条，9、第一吸液材料层，10、第二吸液材料层，11、第三吸液材料层，12、O型密封圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示为本发明实施例提供的电化学磷化氢气体传感器的结构，电化学磷化氢气体传感器包括壳体1、电解液7以及在所述电解液7中形成离子导通的工作电极2、参考电极3和对电极4，壳体1的顶部设置有透气孔，壳体1内设置有储液槽5，电解液7存储在储液槽5内，对电极4、参考电极3和工作电极2从下至上依次设置在储液槽5的上方。
对电极4与储液槽5之间设置有第一吸液材料层9，对电极4与参考电极3之间设置有第二吸液材料层10，参考电极3与工作电极2之间设置有第三吸液材料层11，第一吸液材料层9、对电极4、第二吸液材料层10、参考电极3、第三吸液材料层11和工作电极2从下至上依次压接在储液槽5上。对电极4为环形结构，第一吸液材料层9的中间部分与第二吸液材料层10的中间部分接触，第二吸液材料层10的边缘与第三吸液材料层11的边缘相接触，第一吸液材料通过吸液材料条8与储液槽5内的电解液7连接。各吸液材料层中存储有电解液7，各吸液材料层相接触允许电解液7的毛细传输，电解液7提供各电极之间的离子电接触，并且当各吸液材料层中的电解液7含量不足时，通过吸液材料条8，能够将储液槽5中的电解液7传输到各吸液材料层，保持各吸液材料层中的电解液7的含量，确保各电极之间的离子导通，并且避免电解液7的流动，甚至造成漏液。
工作电极2的上表面与壳体1的内壁之间设置有O型密封圈12，O型密封圈12使磷化氢气体只与工作电极2直接接触，在工作电极2表面发生氧化反应，同时避免磷化氢气体与其它电极或电解液7发生反应，影响测量结果。壳体1的底部设置有三个引脚6，三个引脚6分别与对电极4、参考电极3和工作电极2连接。第一吸液材料层9、第二吸液材料层10、第三吸液材料层11和吸液材料条8为玻璃纤维材料。
本发明实施例提供的一种电化学磷化氢气体传感器，包括壳体、电解液以及在所述电解液中形成离子导通的工作电极、参考电极和对电极，所述工作电极、所述参考电极和所述对电极均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述工作电极上的所述混合物包括第一纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述参考电极上的所述混合物包括第二纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述对电极上的所述混合物包括第三纳米材料与聚四氟乙烯微粒。
本实施例中，电化学磷化氢气体传感器测量磷化氢气体浓度时，与外部电路连接，外部电路的输入分别与工作电极、参考电极和对电极连接，工作电极上的第一纳米材料用作催化剂，催化磷化氢气体在工作电极表面发生氧化反应，对电极上的第三纳米材料用作催化剂，催化对电极表面的还原反应，工作电极表面的氧化反应和对电极表面的还原反应会在外部电路中产生电流，电流的强度与磷化氢气体的浓度成正比，通过对外部电路中的电流进行测量和处理，就能得到磷化氢气体的实时浓度值。本发明的电化学磷化氢气体传感器响应速度快，灵敏度高，测量结果准确，能够实时监测磷化氢气体的浓度。参考电极不参与氧化还原反应，电位维持恒定，用于使工作电极的电位工作在正确区域，能够保持传感器的灵敏度，使传感器具有好的线性，减少干扰气体干扰。电极膜用于承载混合物，并且能够允许磷化氢气体分子通过，使磷化氢气体与第一纳米材料充分接触，保证磷化氢气体充分反应。聚四氟乙烯微粒为多孔结构，具有疏水、透气功能，能够促进氧化还原反应的进行。
优选地，所述电极膜为聚四氟乙烯膜。
优选地，所述第一纳米材料包括金纳米材料和碳元素纳米材料中的至少一种。
优选地，所述第二纳米材料包括铂纳米材料和氧化铂的纳米材料中的至少一种。
优选地，所述第三纳米材料包括贵金属纳米材料。
优选地，所述贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种。
优选地，所述电解液为硫酸溶液或磷酸溶液。
优选地，所述硫酸溶液的浓度为4-10mol/L。
优选地，所述第一纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第二纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第三纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1。
具体地，工作电极和对电极上的反应原理如下：
工作电极：PH3+4H2O→H3PO4+8H++8e-
对电极：2O2+8H++8e-→4H2O
总反应：PH3+202→H3PO4
磷化氢气体在工作电极的表面发生氧化反应，产生离子和电子，反应产生的电子数目与磷化氢气体的浓度成正比，离子通过电解液到达对电极，电子通过外部电路到达对电极，为平衡工作电极上的反应，对电极的表面氧气与离子和电子反应，通过对外部电路中的电流进行测量及处理，就能得到磷化氢气体的浓度值。
如图2所示，本实施例提供的一种外部电路，工作电极2、参考电极3和对电极4分别与图2中的W端、R端和C端连接。RF为负载电阻，当RF的值很小时，会增加噪音，但响应很快；当RF的值很大时，会减少噪音，但响应很慢。C1和C2能够减少传感器的信号噪声与电磁干扰。
将本发明的电化学磷化氢气体传感器放置在空气中一分钟，再通入磷化氢气体四分钟，得到如图3所示的响应曲线。
实施例1，工作电极的制备方法：将质量比为1：1的第一纳米材料与聚四氟乙烯微粒混合，获得混合物，将所述混合物辗压、喷涂或印刷到电极膜上，获得工作电极，第一纳米材料包括金纳米材料和碳元素纳米材料中的至少一种，电极膜可采用聚四氟乙烯膜。
实施例2，参考电极的制备方法：将质量比为5：1的第二纳米材料与聚四氟乙烯微粒混合，获得混合物，将所述混合物辗压、喷涂或印刷到电极膜上，获得参考电极，第二纳米材料包括铂纳米材料、氧化铂的纳米材料中的至少一种，电极膜可采用聚四氟乙烯膜。
实施例3，对电极的制备方法：将质量比为10：1的第三纳米材料与聚四氟乙烯微粒混合，获得混合物，将所述混合物辗压、喷涂或印刷到电极膜上，获得对电极，第三纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种，电极膜可采用聚四氟乙烯膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电化学磷化氢气体传感器，包括壳体、电解液以及在所述电解液中形成离子导通的工作电极、参考电极和对电极，其特征在于，所述工作电极、所述参考电极和所述对电极均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述工作电极上的所述混合物包括第一纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述参考电极上的所述混合物包括第二纳米材料与聚四氟乙烯微粒，所述对电极上的所述混合物包括第三纳米材料与聚四氟乙烯微粒。
2.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述电极膜为聚四氟乙烯膜。
3.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述第一纳米材料包括金纳米材料和碳元素纳米材料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述第二纳米材料包括铂纳米材料和氧化铂的纳米材料中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述第三纳米材料包括贵金属纳米材料。
6.根据权利要求5所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述电解液为硫酸溶液或磷酸溶液。
8.根据权利要求7所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述硫酸溶液的浓度为4-10mol/L。
9.根据权利要求1所述的电化学磷化氢气体传感器，其特征在于，所述第一纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第二纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1，所述第三纳米材料与所述聚四氟乙烯微粒的质量比为1：1～10：1。
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