DE4224612C2 - Elektrochemischer Ozonsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung besteht in einem elektrochemischen Ozonsensor zum Nachweis von Ozon-Konzentrationen in Gasen oder Flüssigkeiten, der aufweist:

• - eine Arbeitselektrode, die auf einem porösen Kunststoffträger einen Katalysator
• - aus Graphit,
• - aus Graphit und Metall,
• - aus Graphit und Metalloxid oder
• - aus Graphit und Halbleiteroxid enthält,
• - wobei der Graphit eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g hat,
• - mindestens eine Gegenelektrode aus Metall und
• - einen zwischen Arbeitselektrode und Gegenelektrode angeordneten Elektrolyten.

In der DE 37 11 071 A1 ist ein halbleitender Ozonsensor aus einem mit Ozon eine katalytische Reaktion erlaubenden und dadurch seinen elektrischen Widerstand ändernden Halbleitermaterial, insb. aus Zink-, Mangan-, Eisen-, Kobalt-, Nickel-, Kupfer-, Palladium-, Zirkonium-, Zinn-, Tantal-, Wolfram-, Silicium-, Aluminium-, Titan-, Rhodium- oder Strontiumoxid oder deren Mischungen, beschrieben.

In der US-PS 48 85 929 ist ferner u. a. ein an einer potentiosta­ tischen Schaltung zu betreibender elektrochemischer Ozonsensor mit einer Referenzelektrode, einer Gegenelektrode und einer Arbeits­ elektrode beschrieben, die auf einem porösen Kunststoffträger einen Edelmetall-Katalysator, insb. aus MnO₂ oder aus CuO, aufweist.

Dieser Ozonsensor kann zu einem nach einem anderen Prinzip arbei­ tenden Ozonsensor, nämlich einem Dünnfilm-Halbleiter-Ozonsensor, in Form eines Ozon-Doppelsensors vereinigt sein, mit dem ein mög­ lichst breiter Ozon-Konzentrationsbereich gemessen werden kann. Dabei mißt der Dünnfilm-Halbleiter-Ozonsensor niedere Konzentrati­ onen und der elektrochemische Ozonsensor mittlere und hohe Konzentrationen.

Die in den Ansprüchen definierte Erfindung dient einer derartigen Ausgestaltung dieses bekannten Ozon-Doppelsensors, daß mit einem einzigen elektrochemischen Ozonsensor ein möglichst weiter Ozon- Konzentrationsbereich, beginnend bei einer Größenordnung von etwa 0,1 ppm, meßbar wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Arbeits­ elektrode zusätzlich zum Graphit eine Metall-Legierung, eine Metalloxid-Mischung oder eine Halbleiteroxid-Mischung. In Aus­ gestaltung der Erfindung und dieser Weiterbildung ist der Elek­ trolyt eine anorganische Säure und die Gegenelektrode ist aus einem Edelmetall, insb. Platin, einer Edelmetall-Legierung, einem Edelmetalloxid, einer Edelmetalloxid-Mischung einer Metall/Metall­ oxid-Mischung oder einer Metall/Metallsalz-Mischung.

In einer ersten Weiterbildung dieser Ausgestaltungen der Erfindung kann eine Referenzelektrode vorgesehen werden, die auf einem weiteren porösen Kunststoffträger ebenfalls einen Katalysator aus Graphit, aus Graphit und Metall, aus Graphit und Metalloxid oder aus Graphit und Halbleiteroxid enthält, wobei der Graphit eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g hat; dieser (weitergebildete) Ozonsensor ist an einer potentiostatischen Schaltung zu betreiben.

In einer zweiten Weiterbildung der obigen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Arbeitselektrode allein aus Graphit, aus Graphit und Metall, aus Graphit und Metalloxid oder aus Graphit und Halbleiteroxid bestehen und eine Referenzelektrode aus einem Edelmetall, insb. Platin, einer Edelmetall-Legierung, einem Edelmetalloxid, einer Edelmetalloxid-Mischung, einer Metall/Metalloxid-Mischung oder einer Metall/Metallsalz-Mischung; dieser (weitergebildete) Ozonsensor ist ebenfalls an einer potentiostatischen Schaltung zu betreiben.

Wenn wie oben angegeben bei einigen der Weiterbildungen der Erfindung die entsprechende Elektrode eine Metall/Metalloxid- Mischung oder eine Metall/Metallsalz-Mischung enthält, so werden solche Elektroden auch als "Elektroden zweiter Art" bezeichnet; sie haben ein besonders konstantes Elektrodenpotential.

Die erwähnten Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, wenn das Potential der Arbeitselek­ trode gegenüber einer Wasserstoff-Elektrode zwischen -100 mV und +2,4 V liegt oder mittels der potentiostatischen Schaltung gegenüber der Referenzelektrode in diesem Spannungsbereich eingestellt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Graphit eine spezifische Oberfläche von 300 m²/g bis 650 m²/g aufweisen oder die Oberfläche des Graphits mit einem Edelmetall, einer Edel­ metall-Legierung, einem Metalloxid oder einer Metalloxid-Mischung dotiert sein.

Ferner kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Elektrolyt mit einem Leitsalz elektrisch leitend gemacht sein oder es dient Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure in flüssiger oder gelierter Form als Elektrolyt, der gegebenenfalls auch mit Wasser und/oder einem organischem Lösungsmittel verdünnt sein oder in einem Festkörper enthalten sein kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen Zwei-Elektroden- Ozonsensor, und

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt einen Drei-Elektroden- Ozonsensor mit potentiostatischer Schaltung.

Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Ozonsensor ist für die Gasmes­ sung konzipiert und hat an der Stirnseite seines Gehäuses 10 als Gaseinlaß einen porösen Kunststoffträger 1 (z. B. Polytetrafluor­ ethylen) für das Gas mit dem zu messenden Ozonanteil. Auf der Innenseite des Kunststoffträgers 1 befindet sich eine Arbeits­ elektrode 2, die einen Katalysator 3 aus Graphit, aus Graphit und Metall, aus Graphit und Metalloxid oder aus Graphit und Halb­ leiteroxid enthält. Dabei hat der Graphit eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g.

An der anderen Stirnseite des Gehäuses 10 befindet sich auf einem Kunststoffträger 1′ eine Gegenelektrode 4 aus Metall. Zwischen den beiden Stirnseiten befindet sich ein Elektrolyt 5, z. B. eine der oben genannten Säuren. Arbeitselektrode 2 und Gegenelektrode 4 sind mit entsprechenden Zuleitungen 21 bzw. 41 versehen.

Der Ozonsensor von Fig. 2 weist gegenüber Fig. 1 zusätzlich eine Referenzelektrode 7 auf, die auf einem weiteren porösen Kunst­ stoffträger 6 einen weiteren Katalysator 8 aus Graphit, aus Graphit und Metall, aus Graphit und Metalloxid oder aus Graphit und Halbleiteroxid enthält. Dabei hat der Graphit wiederum eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g.

Die Referenzelektrode 7 ist mit einer Zuleitung 71 versehen. Ferner ist eine zum Betrieb erforderliche potentiostatische Betriebsschaltung 9 üblicher Art vorgesehen, an die die drei Elek­ troden-Zuleitungen 21, 41, 71 angeschlossen sind.

Claims (7)

1. Elektrochemischer Ozonsensor zum Nachweis von Ozon-Konzentra­ tionen in Gasen oder Flüssigkeiten, der aufweist:

• - eine Arbeitselektrode (2), die auf einem porösen Kunststoff­ träger (1) einen Katalysator (3)
• - aus Graphit,
• - aus Graphit und Metall,
• - aus Graphit und Metalloxid oder
• - aus Graphit und Halbleiteroxid enthält,
• - wobei der Graphit eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g hat,
• - mindestens eine Gegenelektrode (4) aus Metall und
• - einen zwischen Arbeitselektrode und Gegenelektrode angeordneten Elektrolyten (5).

2. Elektrochemischer Ozonsensor nach Anspruch 1 mit einer eine Metall-Legierung, eine Metalloxid-Mischung oder eine Halbleiter-oxid-Mischung aufweisenden Arbeitselektrode (2).

3. Elektrochemischer Ozonsensor nach Anspruch 1 oder 2 mit einer anorganischen Säure als Elektrolyten (5) und mit einer Gegenelektrode (4) aus einem Edelmetall, insb. Platin, einer Edelmetall-Legierung, einem Edelmetalloxid, einer Edelmetalloxid-Mischung, einer Metall/Metalloxid-Mischung oder einer Metall/Metallsalz-Mischung.

4. Elektrochemischer Ozonsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Referenzelektrode (7), die auf einem weiteren porö­ sen Kunststoffträger (6) einen weiteren Katalysator (8) aus Graphit, aus Graphit und Metall, aus Graphit und Metalloxid oder aus Graphit und Halbleiteroxid enthält, wobei der Graphit eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 2000 m²/g hat, und mit einer potentiostatischen Betriebsschaltung (9).

5. Elektrochemischer Ozonsensor nach Anspruch 3 mit einer Referenzelektrode (7) aus einem Edelmetall, insb. Platin, einer Edelmetall-Legierung, einem Edelmetalloxid, einer Edelmetalloxid-Mischung, einer Metall/Metalloxid-Mischung oder einer Metall/Metallsalz-Mischung sowie mit einer potentio­ statischen Betriebsschaltung (9).

6. Elektrochemischer Ozonsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Potential der Arbeitselektrode (2) gegenüber einer Wasserstoff-Elektrode zwischen -100 mV und +2,4 V liegt oder mittels der potentiostatischen Schaltung (9) gegenüber der Referenzelektrode (7) in diesem Spannungsbereich eingestellt ist.

7. Elektrochemischer Ozonsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Graphit eine spezifische Oberfläche von 300 m²/g bis 650 m²/g aufweist.