JP2018048826A - Constant potential electrolytic type gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスを検知するガス電極として被検知ガスを電気化学反応させる反応極、前記反応極に対する対極および前記反応極の電位を制御する参照極を、電解槽に収容した電解液に接触するように備えた定電位電解式ガスセンサに関する。 In the present invention, a reaction electrode for electrochemically reacting a gas to be detected as a gas electrode for detecting gas, a counter electrode with respect to the reaction electrode, and a reference electrode for controlling the potential of the reaction electrode are brought into contact with an electrolytic solution accommodated in an electrolytic cell. The present invention relates to a constant potential electrolysis gas sensor.
従来の定電位電解式ガスセンサは、電極を電解液が密に収容される電解槽の電解液収容部内に臨んで設けて構成してあり、例えば電極としては、ガスを検知するガス電極として被検知ガスを電気化学反応させる作用電極、当該作用電極に対する対極、作用電極の電位を制御する参照電極の3電極を設けてあり、また、これらが接触自在な電解液を収容した電解槽と、各電極の電位を設定するポテンシオスタット回路等を接続してある。前記3電極の材料としては撥水性を有するガス透過性の多孔質PTFE膜に白金や金、パラジウム等の貴金属触媒等を塗布したものが、電解液としては、硫酸やリン酸等の酸性水溶液等が用いられていた。 A conventional constant potential electrolytic gas sensor is configured such that an electrode is provided facing an electrolytic solution storage part of an electrolytic cell in which an electrolytic solution is densely stored. For example, an electrode is detected as a gas electrode that detects gas. There are provided three electrodes, a working electrode for electrochemically reacting gas, a counter electrode for the working electrode, and a reference electrode for controlling the potential of the working electrode. A potentiostat circuit for setting the potential is connected. As the material of the three electrodes, a gas-permeable porous PTFE film having water repellency is coated with a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, etc. As an electrolyte, an acidic aqueous solution such as sulfuric acid or phosphoric acid is used. Was used.
また、定電位電解式ガスセンサは、周囲の環境変化に対して作用電極の電位を制御して一定に維持することによって、作用電極と対極との間に周囲の環境変化に相当する電流を生じさせる。そして、作用電極の電位が変化せず、またガス種によって酸化還元電位が異なることを利用することにより、ポテンシオスタット回路の設定電位によってはガスの選択的な検知が可能になる。また、ガス電極に用いる触媒を変えることで、目的とするガスに対して高い選択性を持たすことができる。 In addition, the constant potential electrolytic gas sensor generates a current corresponding to a change in the surrounding environment between the working electrode and the counter electrode by controlling the potential of the working electrode to be constant with respect to a change in the surrounding environment. . Further, by utilizing the fact that the potential of the working electrode does not change and the oxidation-reduction potential varies depending on the gas type, the gas can be selectively detected depending on the set potential of the potentiostat circuit. Further, by changing the catalyst used for the gas electrode, it is possible to have high selectivity for the target gas.
例えば粒径が数十nmのカーボンに、数百nm程度の貴金属微粒子を担持させたものを使用することがあった。このようにカーボンに貴金属微粒子を担持させるには、例えば浸漬担持法を使用することがある。当該浸漬担持法で貴金属粒子を担体に担持させる場合、当該担体を金属塩の水溶液中に浸して、金属成分を担体表面に吸着させ、乾燥・焼成・還元を行う。当該浸漬担持法で貴金属担持カーボンを作製した後、多孔質PTFE膜に塗布して電極を作製していた。 For example, carbon having a particle size of several tens of nm and noble metal fine particles of about several hundreds of nanometers are sometimes used. In order to support the noble metal fine particles on the carbon as described above, for example, an immersion support method may be used. When the noble metal particles are supported on the support by the immersion support method, the support is immersed in an aqueous solution of a metal salt, the metal component is adsorbed on the support surface, and drying, firing, and reduction are performed. After producing noble metal-carrying carbon by the dip-carrying method, it was applied to a porous PTFE film to produce an electrode.
尚、本発明における従来技術となる上述した定電位電解式ガスセンサは、一般的な技術であるため、特許文献等の従来技術文献は示さない。 Note that the above-described constant potential electrolytic gas sensor, which is a conventional technique in the present invention, is a general technique, and therefore does not show any prior art documents such as patent documents.
上述の手法によって作製された貴金属担持カーボンは、貴金属微粒子の粒径が担体であるカーボンの粒径より大きく、水溶液中で凝集し易い傾向にあるため、貴金属微粒子を均一に分散させるのが困難であった。このように貴金属微粒子が不均一な状態で作製された貴金属担持カーボンを貴金属触媒として使用すると、ガス検知性能の個体差が大きくなるなどの影響を与えることがあった。 The noble metal-supported carbon produced by the above-mentioned method has a particle diameter of the noble metal fine particles larger than that of the carbon as the carrier and tends to aggregate in an aqueous solution, so it is difficult to uniformly disperse the noble metal fine particles. there were. When the noble metal-supported carbon prepared with the noble metal fine particles in a non-uniform state is used as a noble metal catalyst, there are cases where an individual difference in gas detection performance increases.
従って、本発明の目的は、ガス検知性能の個体差が発生し難い電極を備えた定電位電解式ガスセンサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a constant potential electrolytic gas sensor including an electrode that hardly causes individual differences in gas detection performance.
上記目的を達成するための本発明に係る定電位電解式ガスセンサは、ガスを検知するガス電極として被検知ガスを電気化学反応させる反応極、前記反応極に対する対極および前記反応極の電位を制御する参照極を、電解槽に収容した電解液に接触するように備えた定電位電解式ガスセンサであって、その第一特徴構成は、前記参照極は、前記電解液に対する浸漬電位が異なる二種の貴金属を担持させた担体を有し、設定電位がゼロになるように当該二種の貴金属の比率を調整して構成した点にある。 In order to achieve the above object, a constant potential electrolytic gas sensor according to the present invention controls a reaction electrode for electrochemically reacting a gas to be detected as a gas electrode for detecting gas, a counter electrode for the reaction electrode, and a potential of the reaction electrode. A constant potential electrolytic gas sensor provided with a reference electrode in contact with an electrolyte contained in an electrolytic cell, the first feature of which is that the reference electrode has two different immersion potentials with respect to the electrolyte It has the support | carrier which carry | supported the noble metal, and is the point which adjusted and comprised the said 2 types of noble metal so that the setting potential might be set to zero.
設定電位をゼロになるようにするためには、具体的には、一つの電極上で起こる複数の電気化学反応である混成電位反応によって参照電極の電位をシフトさせるとよい。これにより、例えば本来は+200mVの電位を印加してガス検知を行うところ、±0mVの電位を印加することでガス検知を行うことができる。
このように設定電位をゼロとすることで、定電位電解式ガスセンサの回路電圧が安定し、センサのゼロ点の変動を抑制することができるため、ガス検知性能の個体差が発生し難くなる。
In order to make the set potential zero, specifically, the potential of the reference electrode may be shifted by a mixed potential reaction that is a plurality of electrochemical reactions occurring on one electrode. Thus, for example, when gas detection is originally performed by applying a potential of +200 mV, gas detection can be performed by applying a potential of ± 0 mV.
By setting the set potential to zero in this way, the circuit voltage of the constant potential electrolysis gas sensor is stabilized and fluctuations in the zero point of the sensor can be suppressed, so that individual differences in gas detection performance are less likely to occur.
尚、本発明に係る定電位電解式ガスセンサでは、「参照極は、前記電解液に対する浸漬電位が異なる二種の貴金属を担持させた担体を有する」および「設定電位がゼロになるように当該二種の貴金属の比率を調整して構成した」として、物をその構造又は特性により直接特定した記載としてある。 In the constant potential electrolytic gas sensor according to the present invention, “the reference electrode has a carrier carrying two kinds of noble metals having different immersion potentials in the electrolytic solution” and “the set potential is zero. “The composition is adjusted by adjusting the ratio of the precious metal of the seed”, and the object is directly specified by the structure or characteristics thereof.
本発明に係る定電位電解式ガスセンサの第二特徴構成は、前記担体がカーボンであり、前記二種の貴金属が金および白金とした点にある。 The second characteristic configuration of the potentiostatic gas sensor according to the present invention is that the carrier is carbon and the two kinds of noble metals are gold and platinum.
本構成のように、二種の貴金属が金および白金であれば、電解液に対する浸漬電位が異なる二種の貴金属のうち、入手の容易な貴金属とすることができる。 If the two kinds of noble metals are gold and platinum as in this configuration, it is possible to make the noble metal easily available out of the two kinds of noble metals having different immersion potentials with respect to the electrolytic solution.
本発明に係る定電位電解式ガスセンサの第三特徴構成は、各電極の電位を設定するポテンシオスタット回路を接続してあり、当該ポテンシオスタット回路をショートして構成した点にある。 The third characteristic configuration of the constant potential electrolytic gas sensor according to the present invention is that a potentiostat circuit for setting the potential of each electrode is connected, and the potentiostat circuit is short-circuited.
本構成によれば、ポテンシオスタット回路がショートするように構成するため、電源を設ける必要がなくなり、定電位電解式ガスセンサを簡便に構成することができる。 According to this configuration, since the potentiostat circuit is configured to be short-circuited, it is not necessary to provide a power source, and the constant potential electrolytic gas sensor can be configured simply.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、定電位電解式ガスセンサXは、ガスを検知するガス電極10として被検知ガスを電気化学反応させる反応極11、当該反応極11に対する対極12、反応極11の電位を制御する参照極13を、電解槽30に収容した電解液20に接触するように備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the constant potential electrolytic gas sensor X controls a
反応極11、対極12及び参照電極13は、撥水性を有する多孔質のガス透過膜14の表面に、後述する電極材料より作製したペーストを塗布・焼成して形成してある。反応極11と、対極12及び参照電極13とは、対向して配置してある。
The
電解槽30は側方に開口する開口部32を形成してガス導通部33を形成している。ガス透過膜14は二枚設けられ、一方のガス透過膜14には反応極11が配設され、他方のガス透過膜14には対極12及び参照電極13が配設される。反応極11の側に配設されたガス透過膜14は、開口部32に臨むように電解槽30に取り付けられる。被検知ガスはガス導通部33より導入され、反応極11上で反応する。
The
それぞれのガス透過膜14とOリング15とは蓋部材16によって固定される。電解槽30の底面には、電解液収容部31に収容された電解液20の注入等のメンテナンスを行う電解液注入口34が形成されている。
Each gas
このような定電位電解式ガスセンサXは、各電極の電位を設定するポテンシオスタット回路(図2)を備える。本発明の定電位電解式ガスセンサXは、例えばシラン、ホスフィン、ゲルマン、アルシン、ジボランなどの水素化物ガスの検知に用いられる。 Such a constant potential electrolytic gas sensor X includes a potentiostat circuit (FIG. 2) for setting the potential of each electrode. The constant potential electrolytic gas sensor X of the present invention is used for detection of hydride gas such as silane, phosphine, germane, arsine, diborane.
反応極11は、フッ素樹脂膜上に、フッ素樹脂粒子1および貴金属担持カーボン2を有する厚膜3を形成し、貴金属担持カーボン2がフッ素樹脂粒子1の間に充填された構造を呈する(図3)。
The
本実施形態では、ガス透過膜14をフッ素樹脂膜とする。当該フッ素樹脂膜14は、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン:テフロン)、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)、FEP(パーフルオロエチレンプロペンコポリマー)等を使用することができるが、これらに限定されるものではない。
In this embodiment, the gas
フッ素樹脂粒子1は、フッ素樹脂膜14の構成材料の微粒子であり、その粒径範囲は、例えば0.1〜1.0μm、好ましくは0.1〜0.5μmとするのがよい。また、厚膜3の厚さは、例えば5〜50μm、好ましくは10〜25μmとするのがよい。
The
貴金属担持カーボン2は、例えば金や白金などの貴金属aを担持するカーボン(担体)bとすることができる。貴金属担持カーボン2は作製の過程でコロイド溶液を使用することができ、貴金属ナノ粒子を分散させた状態で担体bであるカーボンに担持させることができるため、貴金属ナノ粒子の分散の程度を概ね均一な状態とすることができる。そのため、このような貴金属担持カーボン2を貴金属触媒として使用すれば、定電位電解式ガスセンサXにおいて、ガス検知性能に個体差が生じるのを防止することができる。本実施形態では、貴金属ナノ粒子として金ナノ粒子を使用した場合について説明する。
The noble metal-supporting
担体bであるカーボンは、公知のカーボン粉末、例えばカーボンブラック(粒径5〜300nm程度)を使用することができ、特にアセチレンガスを熱分解して得るアセチレンブラックを使用するのがよいが、これに限定されるものではない。 As the carbon as the carrier b, a known carbon powder such as carbon black (particle size of about 5 to 300 nm) can be used, and in particular, acetylene black obtained by thermally decomposing acetylene gas is preferably used. It is not limited to.
貴金属担持カーボンの粒径範囲は、例えば0.01〜0.1μm、好ましくは0.01〜0.05μmとするのがよい。 The particle size range of the noble metal-supporting carbon is, for example, 0.01 to 0.1 μm, preferably 0.01 to 0.05 μm.
貴金属担持カーボン2は、溶媒にカーボン粉末を添加して撹拌するカーボン粉末添加工程と、金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液を添加するナノ粒子添加工程と、溶媒の沸点以下に維持した状態で乾燥させる乾燥工程と、乾燥して得られた粉末を250〜450℃で焼成を行う焼成工程と、を行って作製される。
The noble metal-supported
カーボン粉末添加工程では、カーボン粉末を所定量秤量し、溶媒である水を加え十分攪拌させる(一次分散)。本工程はドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどの界面活性剤を添加して行うとよい。当該界面活性剤を添加することで、溶媒に対するカーボンの分散性を向上させることができる。界面活性剤は、アニオン系、カチオン系、ノニオン系、ベタイン系界面活性剤のいずれも使用できる。また、溶媒へのカーボンの分散性を上げるためには、水/界面活性剤/カーボンの懸濁液を攪拌させながら、超音波ホモジナイザーなどの超音波処理で分散させ、カーボン粉末の凝集粒子を粒子レベルまで分散させるとよい(二次分散)。 In the carbon powder addition step, a predetermined amount of carbon powder is weighed, and water as a solvent is added and sufficiently stirred (primary dispersion). This step may be performed by adding a surfactant such as sodium dodecylbenzenesulfonate. By adding the surfactant, the dispersibility of carbon in the solvent can be improved. As the surfactant, any of anionic, cationic, nonionic, and betaine surfactants can be used. In order to increase the dispersibility of carbon in the solvent, the water / surfactant / carbon suspension is agitated and dispersed by ultrasonic treatment such as an ultrasonic homogenizer. Disperse to the level (secondary dispersion).
二次分散した水/界面活性剤/カーボンの懸濁液を、ロータリーエバポレータ等によって脱泡した後、金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液を添加するナノ粒子添加工程を行う。 After the secondary dispersion of the water / surfactant / carbon suspension is defoamed with a rotary evaporator or the like, a nanoparticle addition step is performed in which a colloidal solution in which gold nanoparticles are dispersed is added.
金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液は、金ナノ粒子が溶液中に分散している状態となっている。当該コロイド溶液には、必要に応じて保護剤などの添加剤を添加してもよい。
金コロイド溶液は、例えばテトラクロロ金酸(III)などの塩化金酸溶液に還元剤としてクエン酸塩溶液を加えて加熱することにより、金属イオンを還元してコロイドとする溶液内還元反応を利用して作製することができるが、このような手法に限定されるものではない。当該方法においては、塩化金酸に対する還元剤の添加量を増減することにより、金コロイド粒子の大きさを変化させることができる。金ナノ粒子は、約5〜50nm程度の粒径を有する粒子であればよいが、この範囲に限定されるものではない。この場合、5〜50nmの粒子の割合が90重量%以上となるような粒度分布とするのがよい。
The colloidal solution in which the gold nanoparticles are dispersed is in a state where the gold nanoparticles are dispersed in the solution. You may add additives, such as a protective agent, to the said colloid solution as needed.
The colloidal gold solution uses an in-solution reduction reaction in which metal ions are reduced to a colloid by adding a citrate solution as a reducing agent to a chloroauric acid solution such as tetrachloroauric acid (III) and heating. However, it is not limited to such a method. In this method, the size of colloidal gold particles can be changed by increasing or decreasing the amount of reducing agent added to chloroauric acid. The gold nanoparticles may be particles having a particle size of about 5 to 50 nm, but are not limited to this range. In this case, the particle size distribution is preferably such that the ratio of 5 to 50 nm particles is 90% by weight or more.
コロイド溶液を添加した後、超音波分散機などの超音波処理によってカーボン粒子および金ナノ粒子を粒子レベルまで分散させるとよい(三次分散)。三次分散した懸濁液を、ロータリーエバポレータ等によって撹拌し、70〜90℃程度で減圧・加熱乾燥する。 After adding the colloidal solution, the carbon particles and the gold nanoparticles may be dispersed to the particle level by ultrasonic treatment such as an ultrasonic disperser (third-order dispersion). The tertiary-dispersed suspension is stirred with a rotary evaporator or the like, and dried under reduced pressure and heating at about 70 to 90 ° C.
その後の乾燥工程では、得られた溶液を、溶媒(水)の沸点以下に維持した状態で乾燥させる。溶媒の沸点以下として設定する温度は、特に限定されるものではないが、溶媒が水の場合、80〜100℃程度とするのがよい。乾燥の手法は、例えば減圧乾燥、真空乾燥、吸引乾燥、熱風乾燥など、公知の手法を適用することができる。これら乾燥の手法における乾燥条件は、公知の条件を適用すればよい。 In the subsequent drying step, the obtained solution is dried in a state where the solution is kept below the boiling point of the solvent (water). Although the temperature set as below the boiling point of a solvent is not specifically limited, When a solvent is water, it is good to set it as about 80-100 degreeC. As a drying method, a known method such as reduced-pressure drying, vacuum drying, suction drying, or hot air drying can be applied. Known conditions may be applied as drying conditions in these drying methods.
焼成工程では、乾燥して得られた粉末を250〜450℃で焼成を行う。
本実施形態における焼成温度は、空気雰囲気、大気圧下でカーボンの酸化が進まない温度で、使用した界面活性剤等の有機物が蒸発する温度(250〜450℃)としてある。
焼成時間は、界面活性剤、コロイドの保護剤等が蒸発、昇華、熱分解により完全になくなるまでの時間を適宜設定すればよい。そのため、焼成させる粉体の量で、その都度焼成時間の短縮・延長が可能である。しかし、金ナノ粒子の粒成長、焼結による活性の低下などを考慮して、例えば当該焼成時間の上限を3時間程度までと設定してもよい。また、焼成時間を設定せず、所定の温度に達すれば焼成工程を終了するように設定してもよい。
In the firing step, the powder obtained by drying is fired at 250 to 450 ° C.
The firing temperature in the present embodiment is a temperature (250 to 450 ° C.) at which the organic matter such as the used surfactant evaporates at a temperature at which carbon oxidation does not proceed under an air atmosphere and atmospheric pressure.
The firing time may be set as appropriate until the surfactant, colloid protective agent, and the like are completely eliminated by evaporation, sublimation, and thermal decomposition. Therefore, the firing time can be shortened or extended each time depending on the amount of powder to be fired. However, in consideration of grain growth of gold nanoparticles, a decrease in activity due to sintering, etc., the upper limit of the firing time may be set to about 3 hours, for example. Moreover, you may set so that a baking process may be complete | finished if predetermined temperature is reached without setting baking time.
本実施形態における反応極11は、フッ素樹脂膜14であるPTFE膜上に、フッ素樹脂粒子1であるPTFEの微粒子および貴金属担持カーボン2(金担持カーボン)を有する厚膜3を形成した場合について説明する。
In the present embodiment, the
即ち、反応極11は、金担持カーボン2の粉末にPTFE微粒子1を含むコロイド溶液を添加して混練して調製された電極材料ペーストをPTFEシート膜14に印刷し、乾燥後、焼成することにより作製することができる。電極材料ペーストを調製する際には、界面活性剤を添加してもよい。
That is, the
対極12は、ガス透過膜14の表面に、公知の電極材料より作製したペーストを塗布・焼成して形成すればよい。
The
参照電極13は、電解液20に対する浸漬電位が異なる二種の貴金属を担持させた担体bを有し、設定電位がゼロになるように当該二種の貴金属の比率を調整してある。
The
浸漬電位は、金属材料などを水溶液に浸漬したときに、溶存酸素やイオンにより酸化還元反応が金属材料表面で起こって電位が決まり、この電位を、参照電極13を基準にして測定した電位のことである。本発明の参照電極13で使用する二種の貴金属は浸漬電位が異なるものであれば特に限定されるものではないが、設定電位がゼロになるように当該二種の貴金属の比率を調整する。例えば担体bはカーボンであり、二種の貴金属は金および白金とするのがよい。
The immersion potential is a potential measured when a metal material or the like is immersed in an aqueous solution, a redox reaction occurs on the surface of the metal material due to dissolved oxygen or ions, and the potential is measured with
二種の貴金属の比率を調整は、例えば金および白金を使用した場合は、金は5〜70%、白金は1〜10%、好ましくは、金は20〜50%、白金は5〜10%とするのがよい。 For example, when gold and platinum are used, the ratio of the two kinds of noble metals is 5 to 70% for gold, 1 to 10% for platinum, preferably 20 to 50% for gold, and 5 to 10% for platinum. It is good to do.
設定電位をゼロになるようにするためには、具体的には、一つの電極上で起こる複数の電気化学反応である混成電位反応によって参照電極13の電位をシフトさせるとよい。これにより、例えば本来は+200mVの電位を印加してガス検知を行うところ、±0mVの電位を印加することでガス検知を行うことができる。
In order to make the set potential zero, specifically, the potential of the
このように設定電位をゼロとすることで、定電位電解式ガスセンサの回路電圧が安定し、センサのゼロ点の変動を抑制することができる。 By setting the set potential to zero in this way, the circuit voltage of the constant potential electrolytic gas sensor is stabilized and fluctuations in the zero point of the sensor can be suppressed.
異なる二種の貴金属を担持させたカーボンを作製する方法は、特に限定されるものではなく、含浸法や共沈法など、公知の方法を適宜適用してもよいし、上述したカーボン粉末添加工程、ナノ粒子添加工程、乾燥工程、焼成工程に準じて作製することができる。このとき、ナノ粒子添加工程では、金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液および白金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液を使用すればよい。白金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液は、白金ナノ粒子が溶液中に分散している状態となっている。白金ナノ粒子は、上述した金ナノ粒子と同様に約5〜50nm程度の粒径を有する粒子であればよいが、この範囲に限定されるものではない。この場合、5〜50nmの粒子の割合が90重量%以上となるような粒度分布とするのがよい。 A method for producing carbon carrying two different kinds of noble metals is not particularly limited, and a known method such as an impregnation method or a coprecipitation method may be applied as appropriate. It can be produced according to the nanoparticle addition step, the drying step, and the firing step. At this time, in the nanoparticle addition step, a colloidal solution in which gold nanoparticles are dispersed and a colloidal solution in which platinum nanoparticles are dispersed may be used. The colloidal solution in which platinum nanoparticles are dispersed is in a state in which platinum nanoparticles are dispersed in the solution. The platinum nanoparticles may be any particles having a particle size of about 5 to 50 nm, similar to the gold nanoparticles described above, but are not limited to this range. In this case, the particle size distribution is preferably such that the ratio of 5 to 50 nm particles is 90% by weight or more.
本実施形態では設定電位がゼロになるようにしてあるため、ポテンシオスタット回路がショートするように構成してある。 In this embodiment, since the set potential is set to zero, the potentiostat circuit is configured to be short-circuited.
即ち、本構成では、0mVの電位を印加することでガス検知を行うことができるため、電源を設ける必要がなくなる。 That is, in this configuration, since gas detection can be performed by applying a potential of 0 mV, it is not necessary to provide a power source.
〔実施例1〕
本発明の実施例について説明する。
本発明の定電位電解式ガスセンサXにおける反応極11および参照電極13の作製手順を以下に説明する。
[Example 1]
Examples of the present invention will be described.
A procedure for producing the
参照電極13の作製は、実施例1の反応極11の作製手順に準じた手法で行うことができるため、最初に反応極11の作製手順を以下に説明する。
Since the
まず、蒸留水にカーボンブラック(平均粒子径40nm)および界面活性剤(ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム)を添加して撹拌し、一次分散させた(カーボン粉末添加工程)。この一次分散液を超音波ホモジナイザーによって超音波処理(20kHz、600W、15分)することにより、二次分散させた。 First, carbon black (average particle size 40 nm) and a surfactant (sodium dodecylbenzenesulfonate) were added to distilled water, stirred, and primarily dispersed (carbon powder addition step). This primary dispersion was subjected to sonication (20 kHz, 600 W, 15 minutes) with an ultrasonic homogenizer to be secondarily dispersed.
この二次分散液をロータリーエバポレータによって脱泡(25℃、10hPa以下)し、金ナノ粒子(粒子径50nm程度)を分散させたコロイド溶液(3重量%金ナノコロイド水溶液、平均粒子径10nm)を添加した(ナノ粒子添加工程)。 This secondary dispersion was defoamed with a rotary evaporator (25 ° C., 10 hPa or less), and a colloidal solution (3 wt% aqueous solution of gold nanocolloid, average particle size of 10 nm) in which gold nanoparticles (particle size of about 50 nm) were dispersed was obtained. Added (nanoparticle addition step).
コロイド溶液を添加した後、超音波分散機によって超音波処理(100kHz、300W、15分)することにより、カーボン粒子および金ナノ粒子を粒子レベルまで分散させた(三次分散)。 After the colloidal solution was added, sonication (100 kHz, 300 W, 15 minutes) was performed with an ultrasonic disperser to disperse the carbon particles and gold nanoparticles to the particle level (tertiary dispersion).
三次分散した懸濁液を、ロータリーエバポレータによって撹拌し、80℃で減圧・加熱乾燥(乾燥工程)し、さらに粉砕して400℃にて焼成(焼成工程)することにより、貴金属担持カーボン2(金担持カーボン)を得た。 The tertiary-dispersed suspension is stirred by a rotary evaporator, depressurized and heated and dried (drying process) at 80 ° C., further pulverized and fired at 400 ° C. (firing process). Supported carbon).
この金担持カーボン2の粉末にPTFE微粒子1(平均粒径0.2μm)を含むコロイド溶液を添加して混練して調製された電極材料ペーストをPTFEシート膜(フッ素樹脂膜)14に印刷し、室温にて一昼夜乾燥後、280℃にて焼成することにより反応極11を作製した。
An electrode material paste prepared by adding and kneading a colloidal solution containing PTFE fine particles 1 (average particle size 0.2 μm) to the gold-supporting
本発明の定電位電解式ガスセンサXにおける参照電極13の作製手順を以下に説明する。上述したように参照電極13の作製は、実施例1の反応極11の作製手順に準じた手法で行うことができる。
A procedure for producing the
ナノ粒子添加工程では、金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液および白金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液を使用した。即ち、実施例1で作製した金担持カーボンを白金ナノ粒子を分散させたコロイド溶液(3重量%白金ナノコロイド水溶液、平均粒子径10nm)に添加した後、乾燥工程および焼成工程を行った。
In the nanoparticle addition step, a colloidal solution in which gold nanoparticles were dispersed and a colloidal solution in which platinum nanoparticles were dispersed were used. That is, after adding the gold-supporting carbon prepared in Example 1 to a colloidal solution in which platinum nanoparticles are dispersed (3 wt% platinum nanocolloid aqueous solution,
浸漬電位が異なる二種の貴金属を担持させた担体bの粉末にPTFE微粒子1を含むコロイド溶液を添加して混練して調製された電極材料ペーストをPTFEシート膜(フッ素樹脂膜)14に印刷し、室温にて一昼夜乾燥後、280℃にて焼成することにより参照電極13を作製した。
An electrode material paste prepared by adding and kneading a colloidal solution containing PTFE
即ち、本実施例の参照電極13で使用する二種の貴金属の比率は金45%、白金10%となった。
That is, the ratio of the two kinds of noble metals used in the
尚、従来の浸漬担持法における焼成の温度は600℃程度とすることがあるが、本発明のように担体bをカーボンとする場合に焼成の温度がこのように高温であると、担体であるカーボンbが燃焼してしまう虞があった。そのため、本実施形態では、400℃にて焼成(焼成工程)を行うため、担体であるカーボンbが燃焼することなく、電極作製時の焼成温度を低く抑えることができる。 Note that the firing temperature in the conventional immersion support method may be about 600 ° C., but when the carrier b is carbon as in the present invention, the firing temperature is such a high temperature. There was a risk that carbon b would burn. Therefore, in this embodiment, since the firing (firing process) is performed at 400 ° C., the firing temperature at the time of electrode preparation can be kept low without burning the carbon b as the carrier.
〔実施例2〕
本発明の定電位電解式ガスセンサX(4検体)を使用して、ゲルマン1ppmを検知した結果を図4に示した。比較例(2検体)として、従来の定電位電解式ガスセンサを使用して、ゲルマン1ppmを検知した結果も同時に示した。
[Example 2]
FIG. 4 shows the result of detecting 1 ppm of germane using the constant potential electrolytic gas sensor X (four samples) of the present invention. As a comparative example (two samples), the result of detecting 1 ppm of germane using a conventional constant potential electrolytic gas sensor was also shown.
この結果、本発明の定電位電解式ガスセンサXにおいては、ゲルマンを検知した直後に良好な(急激な)立ち上がりを示し、その後、安定した高い出力を示すセンサ出力を呈した。一方、比較例の定電位電解式ガスセンサでは、ゲルマンを検知した直後の立ち上がりは緩やかであり、低い出力を示すセンサ出力を呈した。これにより、本発明の定電位電解式ガスセンサXは、比較例の定電位電解式ガスセンサに比べて2〜3倍程度の高い感度が得られたと認められた。 As a result, the controlled potential electrolytic gas sensor X of the present invention exhibited a good (rapid) rise immediately after detecting germane, and then exhibited a sensor output showing a stable high output. On the other hand, in the controlled potential electrolytic gas sensor of the comparative example, the rising immediately after the detection of germane was gentle and exhibited a sensor output showing a low output. Thereby, it was recognized that the potentiostatic gas sensor X of the present invention had a sensitivity of about 2 to 3 times higher than that of the comparative potentiostatic gas sensor.
〔実施例3〕
本発明の参照電極13で使用する二種の貴金属(金、白金)の比率を変化させた場合に、検知感度がどのように変化するか調べた。
本発明の参照電極13において、二種の貴金属は、5wt.%Pt/[45wt.%Au/C](5PtAu/C:本発明例1)、および、10wt.%Pt/[45wt.%Au/C](10PtAu/C:本発明例2)としたものを使用した。従来の参照電極は、浸漬担持法で作製した金担持カーボン(Au/C:比較例1)を使用した。
ALS社製電気化学アナライザーを使用して、これら電極の電気化学計測を行った。計測は、これら電極と、NHE(対標準水素電極:normal hydrogen electrode)との比を求めることで行った。計測は各電極とも5回行い、計測結果を表1に示した。
Example 3
It was examined how the detection sensitivity changes when the ratio of the two kinds of noble metals (gold and platinum) used in the
In the
These electrodes were subjected to electrochemical measurement using an ALS electrochemical analyzer. The measurement was performed by determining the ratio of these electrodes to NHE (normal hydrogen electrode). Measurement was performed 5 times for each electrode, and the measurement results are shown in Table 1.
また、各電極において、平均、最大、最小のデータをプロットしたグラフを図5に示した。 Moreover, the graph which plotted the average, maximum, and minimum data in each electrode was shown in FIG.
この結果、本発明例1,2および比較例1については異なる電気化学的性質を有するものと認められた。また、参照電極13で使用する二種の貴金属(金、白金)の比率を変化させた場合であっても、同等の良好な電気化学的性質を有するものと認められた。これにより、センサのゼロ点の変動を抑制することができるため、ガス検知性能に個体差が発生し難くなると認められた。
As a result, Examples 1 and 2 of the present invention and Comparative Example 1 were recognized as having different electrochemical properties. In addition, even when the ratio of the two kinds of noble metals (gold and platinum) used in the
〔実施例4〕
本発明の参照電極13で使用する二種の貴金属(金、白金)について、参照電極(45wt%Au/C)へ種々の含有量の白金を入れて電位を調整した。白金の含有量は0〜10%まで種々調節した。電位(V)の測定はポテンショスタットHA−151A(北斗電工社製)を使用した。計測は各電極とも5回行い、結果を表2および図6に示した。
Example 4
Regarding two kinds of noble metals (gold and platinum) used in the
この結果、白金の含有量が0%(実施例3:比較例1)の場合は、0.73μAであるのに対して、白金の含有量が1〜10%の場合は、0.80〜0.93μAとなった。この結果、本発明例の参照電極13および比較例1については異なる電気化学的性質(ガス感度特性)を有するものと認められた。
As a result, when the platinum content is 0% (Example 3: Comparative Example 1), the platinum content is 0.73 μA, whereas when the platinum content is 1 to 10%, the platinum content is 0.80. It was 0.93 μA. As a result, it was recognized that the
〔実施例5〕
本発明の参照電極13を使用した定電位電解式ガスセンサXによって、各ガスに対する感度について調べた。各ガスに対する感度は、実施例2で使用した従来の定電位電解式ガスセンサについても使用した。使用したガスは、シラン(SiH4)、ホスフィン(PH3)、ゲルマン(GeH4)、アルシン(AsH3)とした。何れのガスも0.5ppmとした。
Example 5
The sensitivity to each gas was examined by a constant potential electrolytic gas sensor X using the
本発明の参照電極13については、実施例4で示したように、白金の含有量を0〜10%まで種々調節した。それぞれの白金の含有量のときにおいて、電流値を測定した。測定結果を表3に示した。
For the
従来の定電位電解式ガスセンサについて測定した電流値を表4に示した。 Table 4 shows the current values measured for the conventional constant potential electrolytic gas sensor.
また、各ガスにおける本発明の参照電極13を使用した定電位電解式ガスセンサXの電流量、および、従来の定電位電解式ガスセンサの電流量を、ガス毎にグラフ化し、図7(シラン)、図8(ホスフィン)、図9(ゲルマン)、図10(アルシン)にそれぞれ示した。
Further, the current amount of the constant potential electrolytic gas sensor X using the
この結果、本発明例の参照電極13を使用した定電位電解式ガスセンサXおよび従来の定電位電解式ガスセンサについては、各ガスにおいても異なる電気化学的性質(ガス感度特性)を有するものと認められた。
As a result, the constant potential electrolysis gas sensor X using the
本発明は、ガスを検知するガス電極として被検知ガスを電気化学反応させる反応極、前記反応極に対する対極および前記反応極の電位を制御する参照極を、電解槽に収容した電解液に接触するように備えた定電位電解式ガスセンサに利用できる。 In the present invention, a reaction electrode for electrochemically reacting a gas to be detected as a gas electrode for detecting gas, a counter electrode with respect to the reaction electrode, and a reference electrode for controlling the potential of the reaction electrode are brought into contact with an electrolytic solution accommodated in an electrolytic cell. It can utilize for the constant potential electrolytic gas sensor provided.
X 定電位電解式ガスセンサ
b 担体
11 反応極
12 対極
13 参照極
20 電解液
30 電解槽
X constant potential electrolytic gas
Claims (3)
前記参照極は、前記電解液に対する浸漬電位が異なる二種の貴金属を担持させた担体を有し、設定電位がゼロになるように当該二種の貴金属の比率を調整して構成してある定電位電解式ガスセンサ。 As a gas electrode for detecting gas, a reaction electrode for electrochemically reacting a gas to be detected, a counter electrode for the reaction electrode, and a reference electrode for controlling the potential of the reaction electrode were provided so as to come into contact with an electrolytic solution contained in an electrolytic cell. A constant potential electrolytic gas sensor,
The reference electrode has a support on which two kinds of noble metals having different immersion potentials in the electrolytic solution are supported, and is configured by adjusting the ratio of the two kinds of noble metals so that the set potential becomes zero. Potential electrolysis gas sensor.
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