CN217484246U - 一种抗干扰电化学一氧化碳传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗干扰电化学一氧化碳传感器，涉及电化学传感器领域，传感器包括壳体、进气孔、防水透气膜、过滤器、聚四氟乙烯支撑孔板、储液槽、电解液、脱脂棉保液球、工作电极、参比电极、对电极、吸液材料一、吸液材料二及引脚，该传感器电极制备方法是将制得的第一电极浆料、第二电极浆料涂覆于电极膜片上，再通过干燥、nafion溶液浸湿、剪裁，最后得到抗干扰的敏感的电极。通过特殊方法制备的抗干扰敏感电极有效地降低了干扰气体的影响，实现了高选择性的同时对于一氧化碳的灵敏度和响应速度依旧不受到任何影响，传感器的生产要求对于设备的依赖度很低，装配简单，可以有效地降低电极的制备成本，易于大量快速地生产。

Description

一种抗干扰电化学一氧化碳传感器

技术领域

本实用新型涉及电化学传感器领域，具体涉及一种抗干扰电化学一氧化碳传感器。

背景技术

一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，人体吸入会危害肺、脑、心等组织。人体在650ppm吸入45min会引起中毒；浓度提升到5000ppm时，只需要5min就能达到人体最低致死浓度。一氧化碳还是一种可燃气体，浓度为12.5％-74.2％遇见明火、电火花会引起爆炸，正是因为一氧化碳的存在，对于人们的生命和财产安全造成了巨大的威胁，对于一氧化碳的检测是十分有必要的。工业生产场景，从事石油化工、煤气生产、矿井作业、练焦、爆破的工作人员均会受到一氧化碳的威胁，必须要对一氧化碳进行检测以保证安全生产。生活中的地下车库、宾馆、煤炉、煤气灶、燃气热水器等场景会因为操作不当或者通风不畅等原因造成一氧化碳浓度过大，伤害人体。

传统的半导体式一氧化碳传感器的原理是利用半导体材料表面对于气体的吸附及脱附时电导率的变化检测气体的浓度，但其稳定性、选择性较差，受环境影响较大，不宜应用于计量准确要求场所。

电化学一氧化碳传感器凭借低功耗、高灵敏度、快响应、量程范围内良好的线性等优点被广泛使用于石油化工、环境保护等领域。一氧化碳传感器的核心在于电极和壳体的制备、选择，但由于电极片的主要成分为铂，铂催化剂对于一氧化碳具有很高的响应，但几乎对于所有的有毒气体都具有一定响应，这让处理铂催化剂的方法成为了一氧化碳传感器制备的一大难点。目前一氧化碳传感器最大的难题就是交叉干扰问题，氢气作为一氧化碳传感器干扰最大的气体之一，一方面传感器对于氢气响应往往会大于50％，甚至会大于100％，这就极大地增加了误报警带来的潜在危险，另一方面氢气不能通过简单地增加碳布等过滤器进行吸附或者产生氧化还原反应直接去除，唯一的方法就是制备具有良好选择性的工作电极，所以制备具有良好选择性的工作电极是一氧化碳化碳传感器最核心的工作，壳体的选择同样决定了传感器的使适用范围和性能。

因此，现在需要一种新的方案。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种抗干扰电化学一氧化碳传感器。

本实用新型提供如下技术方案：一种抗干扰电化学一氧化碳传感器，所述传感器包括可拆卸顶盖的壳体、壳体顶盖上开有的进气孔、壳体顶盖上且位于进气孔上方设有的防水透气膜、壳体顶盖上且位于进气孔下方设有的过滤器、壳体内部设有的聚四氟乙烯支撑孔板、壳体内底部与聚四氟乙烯支撑孔板之间形成的储液槽、储液槽内装填的电解液、储液槽内设有的脱脂棉保液球、壳体内且从进气孔到聚四氟乙烯支撑孔板方向依次叠有的工作电极、参比电极及对电极、工作电极与参比电极之间设有的吸液材料一、参比电极与对电极之间设有的吸液材料二及壳体底部设有的引脚。壳体顶盖与壳体之间通过卡扣结构密封连接，壳体的材料为对于被测气体和电解液惰性的材料，但不限于ABS、PP、PE或者它们的混合物，吸液材料一、吸液材料二采用玻璃纤维棉或粘胶纤维无纺布,也可以是本领域公知的任何适当材料。

作为本实用新型的一种改进，所述壳体顶盖中心位置开有进气孔，所述壳体顶盖与所述工作电极之间设有O型圈，所述壳体顶盖底部设有PTFE多孔膜片。PTFE多孔膜片用于密封，控制被测气体的进入量及防止电解液的渗漏。

作为本实用新型的一种改进，所述进气孔直径为1-2mm，所述电解液为硫酸溶液，浓度为2-10M。

作为本实用新型的一种改进，所述引脚包括与工作电极导电丝连接的第一引脚、与参比电极导电丝连接的第二引脚及与对电极导电丝连接的第三引脚。引脚用于与外部电路相连通，从而将反应的信号传输到外电路供分析。导电丝为铂丝。

一种抗干扰电化学一氧化碳传感器电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：称取粘结剂分别加入两个称量瓶中，在磁力搅拌的条件下加入分散剂，搅拌10h后粘结剂完全溶解，分别加第一催化剂和第二催化剂，充分搅拌分别制得第一电极浆料、第二电极浆料；

步骤二：将第一电极浆料涂覆在PTFE电极膜片上，形成第一电极浆料涂覆区域；

步骤三：将步骤二中的PTFE电极膜片置于鼓风干燥箱中处理，待溶液挥发完全，浆料形成致密的催化剂层附着在PTFE电极膜片上，取出样品；

步骤四：将步骤三中的PTFE电极膜片取出，第二电极浆料涂覆在PTFE电极膜片上，形成第二电极浆料涂覆区域，且第二电极浆料涂覆区域位于第一电极浆料涂覆区域的另外一侧，第二电极浆料涂覆区域和第一电极浆料涂覆区域形成一个完整的圆，用第二电极浆料覆盖住第一电极浆料涂覆区域与第二电极浆料涂覆区域交界处；

步骤五：将步骤四中PTFE电极膜片置于鼓风干燥箱中处理，待溶液挥发完全，形成致密的催化剂层附着在PTFE电极膜片上，取出样品，得到工作电极膜片；

步骤六：将步骤五中制得的工作电极膜片用nafion溶液浸湿，再置于鼓风干燥箱内干燥；

步骤七：将步骤六中制得的工作电极膜片进行裁剪，得到单个的抗干扰的敏感的电极。第一电极浆料、第二电极浆料可通过丝网印刷、喷涂、刮刀等方式涂覆在电极膜片上。

作为本实用新型的一种改进，所述粘结剂为多聚物，且其为包括聚四氟乙烯粉末、聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液或聚偏氟乙烯粉末，所述分散剂为松油醇和N-甲基吡咯烷酮，所述松油醇与所述N-甲基吡咯烷酮体积比为5:1—10:1。

作为本实用新型的一种改进，所述第一催化剂为铂、钌、铑、铱、金、钯的单质、氧化剂、合金催化剂或碳载催化剂中的一种或几种，所述第二催化剂为铂、钌、铑、铱、金、钯的单质、氧化剂、合金催化剂或碳载催化剂中的一种或几种。

作为本实用新型的一种改进，所述第一电极浆料涂覆区域与所述第二电极浆料涂覆区域面积比为1:4-4:1。

作为本实用新型的一种改进，步骤三及步骤五中鼓风干燥箱内温度呈阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一：30-50℃，干燥时间为60-120min；阶段二：50-70℃，干燥时间为60-240min；阶段三：70-90℃，干燥时间为60-240min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温。

作为本实用新型的一种改进，步骤六中工作电极膜片用5％-20％nafion溶液浸湿，而后90℃干燥2h。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：通过特殊方法制备的抗干扰敏感电极有效地降低了干扰气体的影响，实现了高选择性的同时对于一氧化碳的灵敏度和响应速度依旧不受到任何影响，传感器的生产要求对于设备的依赖度很低，装配简单，可以有效地降低电极的制备成本，易于大量快速地生产。

附图说明

图1为本实用新型一种抗干扰电化学一氧化碳传感器结构示意图；

图2为本实用新型一种抗干扰电化学一氧化碳传感器(1-1000ppm)线性结果；

图3所示本实用新型第一电极浆料与第二电极浆料涂覆展示图。

附图标记列表：1、壳体；2、进气孔；3、防水透气膜；4、过滤器；5、聚四氟乙烯支撑孔板；6、储液槽；7、脱脂棉保液球；8、工作电极；9、参比电极；10、对电极；11、吸液材料一；12、吸液材料二；13、引脚；14、O型圈；15、PTFE多孔膜片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一

如图1所示，一种抗干扰电化学一氧化碳传感器包括壳体1，壳体1的材料为对于被测气体和电解液惰性的材料，但不限于ABS、PP、PE或者它们的混合物，本实施案例采用的ABS塑料。壳体1顶盖中心位置处设有进气孔2，进气孔2直径为1-2mm，进气孔2上方设有防水透气膜3，防水透气膜3用于阻隔水汽和控制透气量，过滤器4置于进气孔2的下方，过滤器4中含有高比表面积的活性炭和吸有饱和高锰酸钾的碱性氧化铝小球，可用于吸附和氧化部分干扰气体。使用与工作电极相同的PTFE多孔膜片15进行密封，控制被测气体的进入量、防止电解液的渗漏。

如图1所示，壳体1内部设有聚四氟乙烯支撑孔板5，聚四氟乙烯支撑孔板5与壳体1的底部中有一空腔为储液槽6，储液槽6内部填装电解液，进气孔2到聚四氟乙烯支撑孔板5方向依次叠有工作电极8、参比电极9、对电极10。聚四氟乙烯支撑孔板5为工作电极8、参比电极9、对电极10提供支撑。壳体1底部设有三根引脚13，分别是第一引脚、第二引脚、第三引脚，其中第一引脚与工作电极8相连接，第二引脚与参比电极9相连接，第三引脚与对电极10相连接，引脚用于与外部电路相连通，从而将反应的信号传输到外电路供分析。

如图1所示,工作电极8和参比电极9之间设有吸液材料一11，参比电极9和对电极10之间设有吸液材料二12，储液槽6内设有脱脂棉保液球7。吸液材料一11、吸液材料二12采用玻璃纤维棉或粘胶纤维无纺布,也可以是本领域公知的任何适当材料。吸液材料一11和吸液材料二12可以将工作电极8、参比电极9和对电极10隔开，防止物理接触发生短路。因为吸液材料一11和吸液材料二12有很强的吸液能力，一方面可以为电化学反应提供充足的电解液，另一方面还能充当与脱脂棉保液球7一样的保液作用。脱脂棉保液球7能够限制电解液的流动性，在一定程度上避免了电解液的泄露,有利于传感器的使用和运输。脱脂棉保液球7被聚四氟乙烯支撑孔板5固定于储液槽6中，脱脂棉保液球7一方面耐电解液的腐蚀，另一方面可以有效地让电解液在壳体1组件中传递，使电解液能够接触到工作电极8、参比电极9、对电极10，为被测气体发生电化学反应提供充足的电解液。电化学一氧化碳传感器电解液通常使用酸性电解液，本为实施案例中采用硫酸溶液，在于高湿度的环境中，电解液会吸收环境中的水汽使得电解液的体积变大，脱脂棉保液球7可以吸收多余的水分，储存于储液槽6内，从而可以避免电解液的外漏，造成传感器的失效。

如图1所示，O型圈14位于工作电极8与壳体1顶盖之间，O型圈14一方面的作用为电化学一氧化碳传感器的内部电子元件提供一定的缓冲作用保护元件的完整与位置的固定，另一方面可以为壳体1内部的电极提供密闭的环境，有效地控制电解液的外渗。

其中壳体1和其顶盖之间可采用卡扣式结构进行密封，O型圈14通过与壳体1顶盖的紧密接触配合，密封住壳体1内部组件。

实施例二

本实施案例提供了一种用于实施例一的电极的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：称取粘结剂60％0.3g聚四氟乙烯乳液和0.3g聚四氟乙烯乳粉末分别加入两个称量瓶中，在磁力搅拌的条件下加入2g分散剂(松油醇：N-甲基吡咯烷酮体积比为10:1)，搅拌10h后粘结剂完全溶解，两个称量瓶中分别加1g第一催化剂铂碳(质量比铂：碳＝5：5)和1g第二催化剂铂氧化铂(原子比铂：氧化铂＝8：2)，充分的搅拌12h分别制得第一电极浆料、第二电极浆料；

步骤二：将第一电极浆料使用丝网印刷方式涂覆在PTFE电极膜片上，形成一个半圆的第一电极浆料涂覆区域；

步骤三，将步骤二中涂有第一电极浆料的PTFE电极膜片放入鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一40℃，干燥时间为60min，阶段二60℃，干燥时间为80min，阶段三90℃，干燥时间为150min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，溶液挥发完全，浆料形成致密的催化剂层附着在PTFE电极膜片上，取出样品；

步骤四，将步骤三中的PTFE电极膜片取出，第二电极浆料使用步骤二相同的方法涂覆在PTFE电极膜片上，形成第二电极浆料涂覆区域，且第二电极浆料涂覆区域位于第一电极浆料涂覆区域的另外一侧，第二电极浆料涂覆区域和第一电极浆料涂覆区域形成一个完整的圆，用第二电极浆料覆盖住第一电极浆料涂覆区域与第二电极浆料涂覆区域交界处，确保电极片上两种浆料涂层具有良好的连接；

步骤五，将步骤四中的PTFE电极膜片进行鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一40℃，干燥时间为60min，阶段二60℃，干燥时间为80min，阶段三90℃，干燥时间为150min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，待溶液挥发完全，形成致密的催化剂层附着在PTFE膜片上，取出样品，得到工作电极膜片；

步骤六，将步骤五中制得的工作电极膜片用10％nafion溶液浸湿，置于鼓风干燥箱内90℃干燥2h；

步骤七，将步骤六中制得的工作电极膜片进行裁剪，得到单个的抗干扰的敏感的电极。

实施例三

本实施案例提供了一种用于实施例一的电极的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：称取粘结剂0.5g聚四氟乙烯粉末分别加入两个称量瓶中，在磁力搅拌的条件下加入2g分散剂(松油醇：N-甲基吡咯烷酮体积比为7:1)，搅拌10h后粘结剂完全溶解，两个称量瓶中分别加1g第一催化剂纯铂黑和1g第二催化剂铂碳(质量比铂：碳＝5：5)，充分的搅拌16h分别制得第一电极浆料、第二电极浆料；

步骤二：将第一电极浆料使用丝网印刷方式涂覆在PTFE电极膜片上，形成一个1/4圆的第一电极浆料涂覆区域；

步骤三，将步骤二中涂有第一电极浆料的PTFE电极膜片放入鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一30℃，干燥时间为60min，阶段二50℃，干燥时间为60min，阶段三90℃，干燥时间为120min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，溶液挥发完全，浆料形成致密的催化剂层附着在PTFE电极膜片上，取出样品；

步骤四，将步骤三中的PTFE电极膜片取出，第二电极浆料使用步骤二相同的方法涂覆在PTFE电极膜片上，形成第二电极浆料涂覆区域，且第二电极浆料涂覆区域位于第一电极浆料涂覆区域的另外一侧，用第二电极浆料覆盖住第一电极浆料涂覆区域与第二电极浆料涂覆区域交界处，确保电极片上两种浆料涂层具有良好的连接；

步骤五，将步骤四中的PTFE电极膜片进行鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一30℃，干燥时间为60min，阶段二50℃，干燥时间为60min，阶段三90℃，干燥时间为120min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，待溶液挥发完全，形成致密的催化剂层附着在PTFE膜片上，取出样品，得到工作电极膜片；

步骤六，将步骤五中制得的工作电极膜片用5％nafion溶液浸湿，置于鼓风干燥箱内90℃干燥2h；

步骤七，将步骤六中制得的工作电极膜片进行裁剪，得到单个的抗干扰的敏感的电极。

实施例四

本实施案例提供了一种用于实施例一的电极的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：称取粘结剂0.5g聚偏氟乙烯粉末分别加入两个称量瓶中，在磁力搅拌的条件下加入2g分散剂(松油醇：N-甲基吡咯烷酮体积比为5:1)，搅拌10h后粘结剂完全溶解，两个称量瓶中分别加1g第一催化剂纯铂黑和1g第二催化剂铂钌(原子比铂：钌：碳＝1：1：1)，充分的搅拌24h分别制得第一电极浆料、第二电极浆料；

步骤二：将第一电极浆料使用丝网印刷方式涂覆在PTFE电极膜片上，形成一个半圆的第一电极浆料涂覆区域；

步骤三，将步骤二中涂有第一电极浆料的PTFE电极膜片放入鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一30℃，干燥时间为120min，阶段二70℃，干燥时间为180min，阶段三90℃，干燥时间为90min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，溶液挥发完全，浆料形成致密的催化剂层附着在PTFE电极膜片上，取出样品；

步骤四，将步骤三中的PTFE电极膜片取出，第二电极浆料使用步骤二相同的方法涂覆在在PTFE电极膜片上，形成第二电极浆料涂覆区域，且第二电极浆料涂覆区域位于第一电极浆料涂覆区域的另外一侧，第二电极浆料涂覆区域和第一电极浆料涂覆区域形成一个完整的圆，用第二电极浆料覆盖住第一电极浆料涂覆区域与第二电极浆料涂覆区域交界处，确保电极片上两种浆料涂层具有良好的连接；

步骤五，将步骤四中的PTFE电极膜片进行鼓风干燥箱中处理，鼓风干燥温度呈为阶梯状上升，共分为三个阶段，阶段一30℃，干燥时间为120min，阶段二70℃，干燥时间为180min，阶段三90℃，干燥时间为90min，鼓风干燥结束后，慢慢冷却到室温，待溶液挥发完全，形成致密的催化剂层附着在PTFE膜片上，取出样品，得到工作电极膜片；

步骤六，将步骤五中制得的工作电极膜片用20％nafion溶液浸湿，置于鼓风干燥箱内90℃干燥2h；

步骤七，将步骤六中制得的工作电极膜片进行裁剪，得到单个的抗干扰的敏感的电极。

本实用新型的实施例二方法制备组装的一种抗干扰电化学一氧化碳传感器与市面上销售的电化学一氧化碳传感器进行通气测试比较，结果如表1。

表1

从表1显示出常见的具有一定吸附性的气体如NH₃、SO₂、Cl₂、C₂H₅OH、H₂S，对于实施例1的电化学一氧化碳传感器完全没有干扰，含氮的氧化物NO、NO₂也完全没有干扰，对于一氧化碳传感器影响最大的氢气干扰度也≤20％，交叉干扰优于市面上一般的一氧化碳传感器，可以在各种低浓度毒气环境中准确地测量出一氧化碳的准确值。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1. 一种抗干扰电化学一氧化碳传感器，其特征在于,所述传感器包括可拆卸顶盖的壳体（1）、壳体（1）顶盖上开有的进气孔（2）、壳体（1）顶盖上且位于进气孔（2）上方设有的防水透气膜（3）、壳体（1）顶盖上且位于进气孔（2）下方设有的过滤器（4）、壳体（1）内部设有的聚四氟乙烯支撑孔板（5）、壳体（1）内底部与聚四氟乙烯支撑孔板（5）之间形成的储液槽（6）、储液槽（6）内装填的电解液、储液槽（6）内设有的脱脂棉保液球（7）、壳体（1）内且从进气孔（2）到聚四氟乙烯支撑孔板（5）方向依次叠有的工作电极（8）、参比电极（9）及对电极（10）、工作电极（8）与参比电极（9）之间设有的吸液材料一（11）、参比电极（9）与对电极（10）之间设有的吸液材料二（12）及壳体（1）底部设有的引脚（13），所述壳体（1）顶盖中心位置开有进气孔（2），所述壳体（1）顶盖与所述工作电极（8）之间设有O型圈（14），所述壳体（1）顶盖底部设有PTFE多孔膜片（15），所述进气孔（2）直径为1-2mm，所述电解液为硫酸溶液，浓度为2-10M。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰电化学一氧化碳传感器，其特征在于：所述引脚（13）包括与工作电极（8）导电丝连接的第一引脚、与参比电极（9）导电丝连接的第二引脚及与对电极（10）导电丝连接的第三引脚。

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