DE2510738B2 - ELECTRODE FOR AN ELECTROCHEMICAL MEASURING CELL FOR THE QUANTITATIVE CONCENTRATION MEASUREMENT OF SLIGHTLY SOLUBLE GASES IN LIQUID ELECTROLYTE - Google Patents
ELECTRODE FOR AN ELECTROCHEMICAL MEASURING CELL FOR THE QUANTITATIVE CONCENTRATION MEASUREMENT OF SLIGHTLY SOLUBLE GASES IN LIQUID ELECTROLYTEInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für eine elektrochemische Meßzelle zur quantitativen -io Konzentrationsmessung von leicht löslichen Gasen in flüssigem Elektrolyten, bestehend aus einer dünnen hydrophoben gasdurchlässigen Schicht, die mit einer dünnen hydrophilen elektrolytdurchlässigen Katalysatorschicht verbunden ist. r>The invention relates to an electrode for an electrochemical measuring cell for quantitative -io Concentration measurement of easily soluble gases in liquid electrolytes, consisting of a thin hydrophobic gas-permeable layer covered with a thin hydrophilic electrolyte-permeable catalyst layer connected is. r>
Es ist bereits eine Gasdiffusionselektrode mit einem flüssigkeitsdurchlässigen Metallsinterkörper und einer mit diesem verbundenen gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen, elektrisch nichtleitenden Schicht bekannt (DT-OS 2048879).It is already a gas diffusion electrode with a liquid-permeable metal sintered body and a with this connected gas-permeable and liquid-impermeable, electrically non-conductive Layer known (DT-OS 2048879).
An eine elektrochemische Meßzelle zur quantitativen Konzentratioinsmessung von leicht löslichen Gasen in flüssigem Elektrolyten sind folgende Anforderungen zu stellen:To an electrochemical measuring cell for quantitative concentration measurement of easily soluble gases The following requirements apply to liquid electrolytes:
a) Selektivität der Messung, d. h. geringe Quer- » empfindlichkeit gegenüber anderen, im Meßgas enthaltenen Verbindungen,a) Selectivity of the measurement, d. H. low cross-sensitivity towards others, in the measuring gas contained compounds,
b) schnelle Meßwertanzeige, d. h. niedrige Zeitkonstante der x-t-Funktion, b) fast display of measured values, ie low time constant of the xt function,
c) relativ hohe und über die Zeit konstante Emp- ho findlichkeit,c) Relatively high and constant over time Emp- ho delicacy,
ti) Einfachheit der Meßapparatur und dadurch Bedienungsmöglichkeit
auch von ungeschultem Personal,
e) net/unabhängige Arbeitsweise und geringer μ
Wartungsaufwand.ti) Simplicity of the measuring equipment and thus the possibility of operation even by untrained personnel,
e) net / independent mode of operation and low μ maintenance effort.
Für die quantitative Messung der Konzentration von NO, NO2, C2H4, H2, SO2, CO und C2H2 ist bereits eine Einrichtung von mehreren Zehen mit Gasdiffusionselektroden vorgeschlagen (Patentanmeldung P 2435813.2-52).For the quantitative measurement of the concentration of NO, NO 2 , C 2 H 4 , H 2 , SO 2 , CO and C 2 H 2 , a device of several toes with gas diffusion electrodes has already been proposed (patent application P 2435813.2-52).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Meßwertanzeige, eine hohe und dauerkonstante Empfindlichkeit sowie Unabhängigkeit vom Wasserdampfgehalt des Meßgases zu erzielen.The invention is based on the object of providing a rapid display of measured values, a high and constant one To achieve sensitivity and independence from the water vapor content of the measuring gas.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Katalysatorschicht ein abgestimmtes Verhältnis Porenradius/Dicke vorliegt.According to the invention, this object is achieved in that the catalyst layer is matched There is a ratio of pore radius / thickness.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Appropriate further developments of the subject matter of the invention can be found in the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiek's näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to an exemplary embodiment shown schematically in the drawing explained in more detail. It shows
Fig. 1 die Ausbildung der Elektrode,Fig. 1 shows the design of the electrode,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Katalysatorschicht der Elektrode.2 shows an enlarged section of the catalyst layer of the electrode.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die als Gasdiffusionselektrode ausgebildete Meßelektrode eine hydrophobe Schicht 1 mit Gasporen, 2, die beispielsweise aus Polytetrafluorethylen besteht und ferner eine anliegende hydrophile Katalysatorschicht 3 mit Elektrolytporen 4, die beispielsweise aus Aktivkohle besteht. Ein Meßgas, beispielsweise SO2, ist an die freie Oberfläche der hydrophoben Schicht 1 geführt und dringt in deren Gasporen 2 ein, während ein Elektrolyt, beispielsweise Schwefelsäure, an die freie Oberfläche der Katalysatoirschicht 3 geführt ist und in die Elektrolytporen 4 eindringt.As can be seen from Fig. 1, the measuring electrode designed as a gas diffusion electrode comprises a hydrophobic layer 1 with gas pores 2, which consists for example of polytetrafluoroethylene and also an adjacent hydrophilic catalyst layer 3 with electrolyte pores 4, which consists for example of activated carbon. A measurement gas, for example SO 2 , is directed to the free surface of the hydrophobic layer 1 and penetrates its gas pores 2, while an electrolyte, for example sulfuric acid, is directed to the free surface of the catalyst layer 3 and penetrates the electrolyte pores 4.
Die Dicke der Katalysatorschicht 3 hängt von deren Porenstruktur (häufigster Porendurchmesser sowie Porosität) ab. Für die Gewährleistung der Unabhängigkeit vom Wassergehalt des Meßgases ist ein Elektrolyt verwendet, dessen Dampfdruck dem des Wasserdampfpartialdruckes des Meßgases entspricht, oder der keine hygroskopischen Eigenschaften bei gleichbleibender Zusammensetzung besitzt.The thickness of the catalyst layer 3 depends on its pore structure (most common pore diameter as well Porosity). An electrolyte is required to ensure independence from the water content of the measuring gas used, the vapor pressure of which corresponds to that of the water vapor partial pressure of the measuring gas, or which has no hygroscopic properties with the same composition.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, tritt das durch die hydrophobe, elektrolytfreie Schicht 1 strömende Meßgas SO2 an der Phasengrenzfläche flüssig/gasförmig, die stabil zwischen der hydrophoben Schicht 1 und der hydrophilen Aktivschicht 3 liegt, in den Elektrolyten ein, diffundiert an die Porenränder zu den aktiven Zentren und wird dort zur Reaktion gebracht unter Bildung von SO3, Protonen und Elektronen. Da die Diffusionsstrecke in Richtung zum Porenrand wesentlich kleiner ist als in Richtung der Porenachse, wird sämtliches SO2 umgesetzt; das Verhältnis beider Diffusionsstrecken entspricht im Mittel dem Verhältnis häufigster Porenradius/Elektrodendicke. Bei einem häufigstein Porenradius von beispielsweise 10 μιτι und einer Elektrodendicke von 0,25 mm ergibt sich ein Verhältnis; von 1:25.As can be seen from FIG. 2, the measuring gas SO 2 flowing through the hydrophobic, electrolyte-free layer 1 enters the electrolyte at the liquid / gaseous phase interface, which is stable between the hydrophobic layer 1 and the hydrophilic active layer 3, and diffuses onto the Pore edges to the active centers and is made to react there with the formation of SO 3 , protons and electrons. Since the diffusion path in the direction of the pore edge is significantly smaller than in the direction of the pore axis, all of the SO 2 is converted; the ratio of the two diffusion paths corresponds on average to the ratio of the most frequent pore radius / electrode thickness. With a frequently stone pore radius of, for example, 10 μm and an electrode thickness of 0.25 mm, a ratio results; from 1:25.
Dies ist jedoch nur der Fall, weil bei gleichzeitig niedriger Adsorptionskapazität eine hohe Anzahl von katalytisch aktiven Zentren vorhanden ist.However, this is only the case because, with a simultaneously low adsorption capacity, a high number of catalytically active centers is present.
Die aktive Schicht 3 wird also voll benetzt und in ihr ergeben sich sehr viele aktive Zentren für die Umsetzung, woraus die hohe Empfindlichkeit resultiert, so daß selbst bei sehr geringen Gasmengen im unteren ppm-Bereich noch relativ hohe Ströme gemessen werden können.The active layer 3 is therefore fully wetted and there are many active centers in it for the implementation, from which the high sensitivity results, so that even with very small amounts of gas in the lower In the ppm range, relatively high currents can still be measured.
Als Elektrolyt kann Schwefelsäure oder Phosphorsäure verwendet werden.Sulfuric acid or phosphoric acid can be used as the electrolyte.
Elektrode und Elektrolyt sind in einer Zelle eingesetzt, die potentiostatisch betrieben wird.Electrode and electrolyte are used in a cell that is operated potentiostatically.
Nachstehend wird die Herstellung der ElektrodeThe following is the manufacture of the electrode
näher erläutert.explained in more detail.
In eine Preßform wird eine etwa 0,4 mm dicke Polytetrafluoräthylen-Folie n:it einem Durchmesser von etwa 45 mm, einem häufigsten Porendurchmesser von 1 μηι und einer Porosität von 40% eingespannt, auf > die eine vorpräparierte aktive Schicht nut 200 kp/cm2 Druck gepreßt wird. Die so erhaltene Rohelektrode wird anschließend bei einer Temperatur von etwa 165 " C 35 min lang unter 0,1 kp/cm- Druck gesin tert. Hi A 0.4 mm thick polytetrafluoroethylene film with a diameter of about 45 mm, a most common pore diameter of 1 μm and a porosity of 40% is clamped into a compression mold, onto which a preprepared active layer is only 200 kp / cm 2 pressure is pressed. The raw electrode obtained in this way is then sintered at a temperature of about 165 ° C. for 35 minutes under 0.1 kp / cm pressure . Hi
Die Vorprüparation der aktiven Schicht geschieht auf folgende Weise.The pre-preparation of the active layer is done in the following way.
Aktivkohle vom Typ Norit RBIII wird gemahlen, in 2nH2SO4 5 Stunden ausgekocht, filtriert, neutral gewaschen, bei etwa 200° C getrocknet und auf die i" Fraktion 45-90 μπι gesiebt. Dir Elektrodenmischung, die 6 Gew.% PTFE und 12 Gew. % Polyäthylen enthält, wird in Hexan teigartig suspendiert und in einer Filtrierpreßvorriclitung mit 50 kp/cm2 Druck zu einem festen Rundstab mit 34 mm 0 verpreßt. Von diesem -Ί Formkörper werden etwa 0,4 mm dicke Scheiben abgeschnitten, die dann anschließend, wie vorstehend beschrieben, weiter verarbeitet werden.Activated charcoal of the Norit RBIII type is ground, boiled in 2nH 2 SO 4 for 5 hours, filtered, washed neutral, dried at about 200 ° C. and sieved to the i "fraction 45-90 μm. The electrode mixture containing 6% by weight of PTFE and Contains 12% by weight of polyethylene, is suspended in a dough-like manner in hexane and pressed in a filter press device at 50 kp / cm 2 pressure to form a solid round rod with 34 mm O. Slices about 0.4 mm thick are cut from this molded body, which then then further processed as described above.
Die Dicke der aktiven Schicht der Elektrode beträgt etwa 0,25 mm, der häufigste Porendurchmesser μΐη und die Porosität 60%.The thickness of the active layer of the electrode is about 0.25 mm, the most common pore diameter μΐη and the porosity 60%.
Eine derart präparierte Meßelektrode weist ein optimales Verhalten bezüglich der Höhe der Empfindlichkeit des Meßwertes, der zeitlichen Konstanz sowie der Selektivität und der Schnelligkeit der Anzeige auf. In der nachfolgenden Tabelle sind ah erreichten technischen Werte einer erfindungsgemäßen Meßelektrode angegeben.A measuring electrode prepared in this way exhibits optimal behavior with regard to the level of sensitivity of the measured value, the temporal constancy as well as the selectivity and the speed of the display. The following table reached technical values of a measuring electrode according to the invention are given ah.
Aktive Schicht: RBIII-Kohle mit i>% PTFE und 12% PE; Active layer: RBIII carbon with>% PTFE and 12% PE;
Elektrodendicke: 0,25 mm;Electrode thickness: 0.25 mm;
Benetzbarkeit: hydrophil;Wettability: hydrophilic;
SOi-Empfindlichkeit: 4,3 μΑ/ppm;SOi sensitivity: 4.3 μΑ / ppm;
y()%-Zeit: 35 see;y ()% - time: 35 seconds;
H,O-Dampfempfindlichkeit: < 1 ppm SO,-Äquivalent; H, O vapor sensitivity: <1 ppm SO, equivalent;
Temperaturabhängigkeit: < 0,2%/gradTemperature dependency: <0.2% / degree
Die Elektrode zeigt gegenüber folgenden Stoffen keine nennenswerte Querempfindlichkeit: H,O, CO,, H2, N„ O„ O3, HCl, NO, N1O, C,H„ CH,, C,H~. C(,H,/C:H5SH, HCN, NH, ü. a.The electrode shows no significant cross-sensitivity to the following substances: H, O, CO ,, H 2 , N "O" O 3 , HCl, NO, N 1 O, C, H "CH" C, H ~. C ( , H, / C : H 5 SH, HCN, NH, etc.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (6)
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Cited By (1)
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DE2936142A1 (en) * | 1979-09-07 | 1981-03-19 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Air pollution measuring electrode prodn. - by pressing and sintering sedimented PTFE support and laminating with rolled out PTFE paste contg. catalyst |
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