KR101799060B1 - 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NH3 또는 NH3를 함유하는 가스 혼합물을 검출하기 위한 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질에 관한 것이고, 상기 전해질은 적어도 하나의 용매, 전도 염(conductive salt) 및/또는 유기 매개체를 함유한다. 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이다. 바람직하게 상기 전해질은 용매로 (i) 물, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 또는 상기 물질들의 혼합물; 전도 염으로 (ii) LiCl, KCl, 테트라부틸암모늄톨루올설포네이트 또는 1-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트; 및 유기 매개체로 (iii) 테르트-부틸-히드로퀴논 또는 안트라퀴논-2-설포네이트를 포함한다.
Description
본 발명은 전기화학식 가스 센서, 특히 NH3 또는 NH3를 함유하는 가스 혼합물을 검출하기 위한 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질에 관한 것이다.
제한된 시간에 걸쳐서 가스 형태의 암모니아(NH3)를 검출할 수 있는 전기화학식 가스 센서들은 일반적으로 공지되어 있다. 이와 같은 유형의 센서들은 통상적으로, 냉각 장치 감시와 관련한 화학 산업에서 농업 사업에 이르는 매우 다양한 기술 분야에 이용된다. 상기 센서들은 특히, 흡입시 유독성을 갖고 부식성 및 인화성을 갖는 암모니아-가스의 임계 농도(critical concentration)를 제때에 검출하고 상응하는 위험에 대해 경고하기 위해 이용된다.
이와 같은 유형의 전기화학식 센서의 주요한 구성 요소들 중 하나의 구성 요소는 상기 센서 내에 사용되는 전해질이다. 이 경우, 상기 전해질은 적어도 하나의 애노드 및 캐소드와 전도성으로 접촉한다. 검출될 가스가 전기화학식 센서 내로 유입되면, 일반적으로 가스, 전해질 및 전극 재료 사이에서 반응이 일어나고, 이러한 반응은 센서의 애노드와 캐소드 사이의 측정 가능한 전류 흐름을 야기한다.
이처럼 유럽 특허 출원서 EP 0 395 927 B1호는, 적어도 하나의 측정 전극 및 대향 전극을 이용하여 가스 형태 또는 액체 형태의 샘플 내에서 암모니아 또는 히드라진을 검출하기 위한 전기화학식 측정 셀(electrochemical measuring cell)을 기술하며, 이때 상기 측정 전극 및 대향 전극은 가용성 전해질로 충전되어 있는 전해질 챔버 내에 수용되어 있는데, 상기 전해질 챔버는 샘플 방향으로 투과성 막(permeable membrane)에 의해 폐쇄되어 있다.
유럽 특허 출원서 0 556 558 B1호도 암모니아, 아민, 히드라진 및 히드라진 유도체를 검출하기 위한 전기화학식 측정 셀을 제시한다. 상기 출원서는 전해질 용액 내의 전도성 전해질로 흡습성(hygroscopic) 알칼리염 또는 알칼리토류 염을 사용하는 것을 제안한다. 이는 전해질이 완전히 건조되는 상황을 방지하고, 이와 같은 방식으로 센서를 가능한 한 긴 기간 사용할 수 있도록 한다.
상기 방식으로 설계된 전기화학식 센서들에서 암모니아(NH3)의 검출 공정은 상기 센서 내로 유입되는 암모니아 가스, 전극들 및 센서의 전해질 사이의 전기화학적 반응에 의해서 이루어진다. 이와 같은 반응 과정 동안에, 유입되는 암모니아 가스는 측정 전극에서 산화한다. 이때 발생하는 암모늄-이온들은 후속하여 대향 전극에서 재차 양자 제거(deprotonate)된다. 그러나 이러한 점에서 예를 들어, 이와 같은 반응의 부산물로 추가 질소 화합물들이 형성될 수 있다는 문제가 나타날 수 있는데, 상기 질소 화합물들은 전극 표면들의 차단(오염)을 야기할 수 있다.
이러한 문제점에 기인한 본 발명의 과제는 선행 기술의 이와 같은 단점들 및 다른 단점들을 극복하는 것이다.
본 발명은 상기 과제의 해결책으로 청구항 제 1 항에 따른 액체 전해질을 제시한다. 형성예들은 종속 청구항들의 대상이다.
전기화학식 가스 센서, 특히 NH3 또는 NH3를 함유하는 가스 혼합물을 검출하기에 적합한 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질에서 본 발명은 적어도 하나의 용매, 전도 염(conductive salt) 및/또는 유기 매개체를 함유하는 전해질을 제시하며, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이다.
특히, 귀금속 또는 탄소 나노튜브(carbon nanotube)로 이루어진 전극들이 사용되는 전기화학식 가스 센서들에서 이와 같은 유형의 전해질은 이러한 센서의 영구적인 가스 발생 안전성을 개선하기 위해 크게 바람직하게 이용된다. 특히 이와 같은 방식으로 위에서 언급된 오염과 같은 위험성은 현저하게 감소할 수 있다.
이 경우, 상기 전해질이 완충액(buffer)을 함유하고, 상기 완충액은 바람직하게
화학식 Ⅰ R1-(CR2R3)n-SO3H
에 상응하는 화합물이고(이때 n = 1, 2, 3, 4 또는 5, 바람직하게 n = 2 또는 n = 3), 이때 모든 R2 및 R3는 H, NH 및 OH에서 서로 무관하게 선택되며, 그리고 이때 R1은 피페라지닐, 치환된 피페라지닐, N-모폴리노, 시클로알킬, 트리스-(히드록시알킬)알킬을 함유하는 기(group)에서 선택된다. 예를 들어 R2 및 R3는 H, NH 및 OH에서 서로 무관하게 선택될 수 있고(이때 n = 2), R1은 피페라지닐, 치환된 피페라지닐, N-모폴리노, 시클로알킬, 트리스-(히드록시알킬)알킬을 함유하는 기에서 선택된다. 예를 들어 또한, R2 및 R3는 H, NH 및 OH에서 서로 무관하게 선택되고(이때 n = 2), R1은 N-모폴리노 및 트리스-(히드록시알킬)알킬을 함유하는 기에서 선택되는 것도 고려할 수 있다. 이 경우 예컨대 특히, n = 2 또는 n = 3이고, 이때 모든 R2 및 R3는 H, NH 및 OH에서 서로 무관하게 선택되며, 그리고 이때 R1은 [4-(2-히드록시에틸)-1]-피페라지닐, (N-모폴리노), N-시클로헥실, 트리스-(히드록시메틸)메틸에서 선택되는 것이 바람직하다. 매우 바람직하게 완충액은 3-(N-모폴리노)-프로판설폰산 또는 3-(N-모폴리노)에탄설폰산이다. 이처럼 예를 들어, 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그리고 그 밖에 상기 전해질은 완충액, 특히 3-(N-모폴리노)-프로판설폰산 또는 3-(N-모폴리노)에탄설폰산에서 선택된 완충액을 함유하는 것을 고려할 수 있다.
그 밖에 전해질이 어느 정도 시간 후에 완전 건조되는 상황―예컨대 센서가 영구 작동 모드에서 사용되어야 하는 경우―을 방지하기 위해, 상기 전해질이 추가 구성 성분들로 증기압을 낮추는 구성 성분을 함유하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 추가 구성 성분들은 바람직하게 알킬렌글리콜 또는 폴리알킬렌글리콜일 수 있고, 특히 바람직하게 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜과 에틸렌글리콜의 혼합물일 수 있다. 이처럼 상기 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그리고 그 밖에 상기 전해질은 적어도 하나의 알킬렌글리콜, 특히 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜과 에틸렌글리콜의 혼합물에서 선택된 알킬렌글리콜을 함유하는 것을 고려할 수 있다.
계속해서, 상기 용매가 물 및 알킬렌카보네이트 또는 물과 알킬렌카보네이트의 혼합물을 함유하는 기, 바람직하게는 물, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 또는 상기 물질들의 혼합물을 함유하는 기에서 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그리고 이때 상기 용매는 물인 것을 고려할 수 있다. 대안적으로는 상기 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그리고 이때 상기 용매는 알킬렌카보네이트, 특히 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트와 에틸렌카보네이트로 이루어진 혼합물인 것도 고려할 수 있다. 이 경우 특히, 상기 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그 밖에 상기 전해질은 완충액, 특히 3-(N-모폴리노)-프로판설폰산 또는 3-(N-모폴리노)에탄설폰산에서 선택된 완충액을 함유하고, 그리고 이때 상기 용매는 알킬렌카보네이트, 특히 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트와 에틸렌카보네이트로 이루어진 혼합물인 것도 고려할 수 있다. 그 밖에, 상기 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 상기 물질들의 혼합물이며, 그 밖에 상기 전해질은 적어도 하나의 알킬렌글리콜, 특히 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜과 에틸렌글리콜의 혼합물에서 선택된 알킬렌글리콜 함유하고, 그리고 이때 상기 용매는 알킬렌카보네이트, 특히 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트와 에틸렌카보네이트로 이루어진 혼합물인 것도 고려할 수 있다.
바람직하게 전도 염의 음이온은 할로겐화물, 카보네이트, 설포네이트, 포스페이트 및/또는 포스포네이트를 함유하는 기에서 선택되고, 바람직하게 알킬-설포네이트, 알케닐-설포네이트, 아릴-설포네이트, 알킬-포스페이트, 알케닐-포스페이트, 아릴-포스페이트, 치환된 알킬-설포네이트, 치환된 알케닐-설포네이트, 치환된 아릴-설포네이트, 치환된 알킬-포스페이트, 치환된 알케닐-포스페이트, 치환된 아릴-포스페이트, 할로겐화 포스페이트, 할로겐화 설포네이트, 할로겐화 알킬-설포네이트, 할로겐화 알케닐-설포네이트, 할로겐화 아릴-설포네이트, 할로겐화 알킬-포스페이트, 할로겐화 알케닐-포스페이트, 할로겐화 아릴-포스페이트를 함유하는 기에서 선택된 음이온, 특히 바람직하게 플루오로포스페이트, 알킬플루오로포스페이트, 아릴-설포네이트를 함유하는 기, 매우 바람직하게 퍼플루오르알킬플루오로포스페이트, 톨루올설포네이트를 함유하는 기에서 선택된 음이온이다.
이 경우, 상기 전도 염은 양이온으로서 금속 이온, 오늄 이온 또는 금속 이온과 오늄 이온으로 이루어진 혼합물을 함유하는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 금속 이온은 알칼리금속 이온 또는 알칼리토류 금속 이온, 바람직하게 Li, K 및/또는 Na에서 선택될 수 있다. 상기 오늄 이온은 암모늄 양이온, 포스포늄, 구아니디늄 양이온 및 헤테로사이클릭 양이온, 바람직하게는 알킬-암모늄 양이온 및 헤테로사이클릭 양이온, 특히 바람직하게는 알킬-암모늄, 이미다졸리움 및/또는 치환된 이미다졸리움 이온에서 선택되는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 치환된 이미다졸리움 이온은 바람직하게
화학식 Ⅱ
에 상응하는 구조를 갖고, 이때 R1, R2, R3, R4 및 R5는 -H, 1 내지 20개의 C-원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬, 2 내지 20개의 C-원자 및 하나 또는 다수의 2중 결합을 갖는 선형 또는 분지형 알케닐 2 내지 20개의 C-원자 및 하나 또는 다수의 3중 결합을 갖는 선형 또는 분지형 알키닐, 3 내지 7개의 C-원자를 갖고 1 내지 6개의 C-원자를 갖는 알킬기와 치환될 수 있는 포화된, 부분 또는 완전 불포화된 시클로알킬, 포화된, 부분 또는 완전 불포화된 헤테로아릴, 헤테로아릴-C1-C6-알킬 또는 아릴-C1-C6-알킬에서 서로 무관하게 선택될 수 있고, 이때 특히 바람직하게 R2, R4 및 R5는 H이고 R1 및 R3는 각각 서로 무관하게 선택된 1 내지 20개의 C-원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬이다.
예를 들어 특히, 전도 염으로 테트라부틸암모늄톨루올설포네이트 또는 1-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트가 사용되는 것을 고려할 수 있다. 대안적으로는 전도 염이 예컨대 LiCl, KCl 또는 LiCl과 KCl로 이루어진 혼합물인 것을 고려할 수 있다. 이처럼 특히, 전해질이 용매, 전도 염 및/또는 유기 매개체로 이루어진 혼합물이고, 이때 상기 전도 염은 퍼플루오르알킬플루오로포스페이트 음이온을 갖는 LiCl, KCl, 알킬암모늄-톨루올설포네이트 및 이온 액체에서 선택되는 것이 바람직하다.
계속해서, 상기 유기 매개체가 산화시 퀴논 시스템 또는 나프탈렌 시스템을 형성하는 폴리히드록시 화합물인 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 유기 매개체는 오르토-디히드록시벤졸, 파라-디히드록시벤졸, 치환된 오르토-디히드록시벤졸 및 치환된 파라-디히드록시벤졸, 디히드록시나프탈렌, 치환된 디히드록시나프탈렌, 안트라히드로퀴논, 치환된 안트라히드로퀴논, 바람직하게 1, 2-디히드록시벤졸, 1, 4-디히드록시벤졸, 나프토히드로퀴논, 치환된 1, 2- 또는 1, 4-디히드록시벤졸, 치환된 히드로퀴논, 치환된 나프토히드로퀴논, 특히 바람직하게 치환된 안트라히드로퀴논, 치환된 히드로퀴논, 치환된 1, 2-디히드록시벤졸을 함유하는 기에서 선택될 수 있다. 이 경우 특히, 치환된 안트라퀴논, 치환된 1, 2-디히드록시벤졸 및/또는 치환된 1, 4-히드로퀴논의 치환체들이 설포닐, 테르트-부틸, 히드록시, 알킬, 아릴 바람직하게 설폰산 및/또는 테르트-부틸을 함유하는 기에서 선택되는 것이 바람직하다.
어떤 경우에서든 특히, 상기 전해질이 용매로 프로필렌카보네이트 및/또는 에틸렌카보네이트로 이루어진 혼합물을 포함하고, 전도 염으로 LiCl, KCl, 테트라부틸암모늄톨루올설포네이트 및/또는 1-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트 또는 2개 또는 다수의 이와 같은 구성 성분으로 이루어진 혼합물을 포함하며, 유기 매개체로 테르트-부틸-히드로퀴논 및/또는 치환된 안트라퀴논, 바람직하게 안트라퀴논-2-설포네이트를 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 유기 매개체의 농도는 10-6mol/l 내지 10-2mol/l일 수 있다. 이처럼 상기 유기 매개체는 10-2mol/l 또는 그보다 적은 농도, 바람직하게 10-3mol/l 또는 그보다 적은 농도, 특히 바람직하게 5*10-4mol/l 또는 그보다 적은 농도, 매우 바람직하게 2*10-4mol/l 또는 그보다 적은 농도, 매우 바람직하게 10-4mol/l 또는 그보다 적은 농도로 전해질 내에 함유되어 있을 수 있다. 또한, 상기 유기 매개체가 10-6mol/l 또는 그보다 많은 농도, 바람직하게 10-5mol/l 또는 그보다 많은 농도, 특히 바람직하게 5*10-5mol/l 또는 그보다 많은 농도, 매우 바람직하게 8*10-5mol/l 또는 그보다 많은 농도, 매우 바람직하게 10-4mol/l 또는 그보다 많은 농도로 전해질 내에 함유되어 있는 것을 고려할 수 있다. 또한 특히, 상기 유기 매개체가 10-5mol/l 내지 10-3mol/l, 특히 5*10-5mol/l 내지 5*10-4mol/l, 특히 바람직하게 8*10-5mol/l 내지 2*10-4mol/l, 매우 바람직하게 10-4mol/l의 농도로 존재하는 것도 고려할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질은 특히 바람직하게 다음의 단계들을 포함하는 방법을 이용하여 얻을 수 있다.
a. 반응기 내에 용매를 제공하는 단계
b. 완충액을 첨가하는 단계
c. 유기 매개체를 첨가하는 단계
d. 대략 15분 동안 교반하에 150°로 혼합물을 가열하는 단계
e. 모든 고형물이 용해될 때까지 추가적인 열 공급 없이 약 1시간 동안 교반하는 단계
f. 실온으로 냉각하는 단계
g. 전도 염을 첨가하는 단계
추가적인 세부 사항들 및 개별 내용들은 다음에서 기술되는 도면들 및 실시예들에서 드러난다.
도 1은 암모니아 검출을 위해 본 발명에 따른 전해질을 사용할 수 있는 전기화학식 가스 센서의 개략적인 구조도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전해질을 함유하는 전기화학식 가스 센서 내에서 NH3 검출 반응의 개략적인 흐름도이다.
도 1은 암모니아 검출을 위해 본 발명에 따른 전해질을 사용할 수 있는 전기화학식 가스 센서의 개략적인 구조도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전해질을 함유하는 전기화학식 가스 센서 내에서 NH3 검출 반응의 개략적인 흐름도이다.
도 1에서 전해질 용기(30)를 구비한 하우징(20)을 포함하는 전기화학식 가스 센서(10)를 확인할 수 있다. 상기 하우징(20) 내부에는 가스 유입구(21) 및 가스 배출구(22)가 형성되어 있다. 상기 하우징(20) 내부에서 작동 전극(51)은, 상기 가스 유입구(21)를 통해 상기 하우징(20) 내부로 유입되는 가스에 접촉하도록 배치되어 있다. 상기 작동 전극(51)은 유리 섬유 막(fiberglass membrane)(55)에 의해 차단 전극(52)으로부터 분리되어 있다. 상기 차단 전극(52)은 자체 측면에서 하나의 유리 섬유 막(55)에 의해 상기 전해질 용기(30)로부터 분리되어 있다. 계속해서, 상기 전해질 용기(30) 내부에는 대향 전극(53) 및 기준 전극(54)이 배치되어 있다.
상기 전해질 용기(30) 내에는 본 발명에 따른 전해질(40)이 존재한다. 이 경우, 상기 전해질은 상기 유리 섬유 막(55)을 침투할 수 있다. 이와 같은 방식으로 상기 전해질(40)은 작동 전극(51)뿐만 아니라 차단 전극(52)에도 도달할 수 있고, 그 결과 그곳에서는 각각 도 2에 도시된 도식에 상응하는 화학적 반응이 유입되는 NH3, 작동- 또는 차단 전극(51, 52)의 재료 및 전해질(40) 사이에서 일어날 수 있다.
이 경우, 상기 가스 센서(10) 내로 유입되는 NH3는 상기 작동 전극(51)의 표면에서 전해질과 반응한다. 이 경우, 바람직하게 상기 작동 전극(51)은 예를 들어 탄소-나노튜브-코팅을 갖는 PTFE-막으로 이루어져 있다. 상기 대향 전극(53)은 바람직하게 귀금속으로 이루어져 있다. 본 예시에서 전해질(40)은 용매로 프로필렌카보네이트 및/또는 에틸렌카보네이트, 전도 염으로 1-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트 및 유기 매개체로 테르트-부틸-1, 2-디히드록시벤졸을 갖는 조성물이다. 계속해서, 상기 전해질은 바람직하게 완충액, 즉 3-(N-모폴리노)프로판설폰산을 함유한다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 테르트-부틸-1, 2-디히드록시벤졸은 상기 작동 전극(51)에서 테르트-부틸-퀴논으로 산화한다. 이때 발생하는 양자(proton)들은 상기 가스 센서(10) 내로 유입되는 NH3와 암모늄 이온으로 반응한다. 상기 암모늄 이온은 대향 전극(53)에 도달하며, 상기 대향 전극에서는 이전에 형성된 테르트-부틸-퀴논이 1, 2-디히드록시벤졸로 역반응한다. 이 경우, 상기 암모늄 이온으로부터 재차 NH3가 발생하고, 상기 NH3는 상기 가스 배출구(22)를 통해 누출될 수 있다. 이와 같은 반응 과정 동안에, 사용된 완충액은 작동 전극(51)과 대향 전극(53) 사이의 상기 전해질 용기(30) 내에 존재하는 전해질의 pH-값을 안정화한다.
본 발명에 따른 전해질의 제조 실시예:
반응기 내에 용매로 폴리카보네이트를 제공한다. 상기 폴리카보네이트에 0.4 중량%의 완충액, 바람직하게는 3-(N-모폴리노)프로판설폰산을 첨가한다. 다음 단계에서 6.9 중량%의 유기 매개체, 바람직하게는 테르트-부틸-1, 2-디히드록시벤졸을 첨가한다. 혼합물을 교반하에 15분 내로 가열하고, 이때 150℃의 최고 온도를 초과하지 않는다. 그 다음에 모든 고형물이 용해될 때까지 추가적인 열 공급 없이 상기 혼합물을 1시간 동안 계속 교반한다. 얻은 용액은 선명한 연황색 색깔을 띤다.
이렇게 얻은 용액을 실온으로 냉각될 때까지 둔다. 그런 다음 2.7 중량%의 전도 염, 바람직하게는 Hmim-FAP(3-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오르포스페이트)를 첨가하고 상기 혼합물을 짧은 시간, 약 1분 동안 교반한다.
10 가스 센서
20 하우징
21 가스 유입구
22 가스 배출구
30 전해질 용기
40 전해질
51 작동 전극
52 차단 전극
53 대향 전극
54 기준 전극
55 유리 섬유 막
20 하우징
21 가스 유입구
22 가스 배출구
30 전해질 용기
40 전해질
51 작동 전극
52 차단 전극
53 대향 전극
54 기준 전극
55 유리 섬유 막
Claims (27)
- 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질로서, 상기 전해질은
적어도 하나의 용매;
전도성 염(conductive salt); 및
유기 매개체를 함유하고,
상기 전도성 염은 이온 액체, 무기염, 유기염 또는 이들의 혼합물이고,
상기 유기 매개체는 치환된 오르토-디히드록시벤젠, 치환된 파라-디히드록시벤젠, 디히드록시나프탈렌, 치환된 디히드록시나프탈렌, 안트라히드로퀴논, 및 치환된 안트라히드로퀴논으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 산화시 퀴논 시스템 또는 나프탈렌 시스템을 형성하는 폴리히드록시 화합물인, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항에 있어서,
상기 전해질이 완충액(buffer)을 함유하고, 상기 완충액은 하기 화학식 I의 화합물이며:
화학식 Ⅰ R1-(CR2R3)n-SO3H
상기 식에서, n = 1, 2, 3, 4 또는 5이고, 모든 R2 및 R3는 H, NH 및 OH로부터 독립적으로 선택되며, R1은 피페라지닐, 치환된 피페라지닐, N-모폴리노, 시클로알킬, 및 트리스-(히드록시알킬)알킬로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제2항에 있어서,
n = 2 또는 n = 3이고, 모든 R2 및 R3는 H, NH 및 OH로부터 독립적으로 선택되고, R1은 [4-(2-히드록시에틸)-1]-피페라지닐, (N-모폴리노), N-시클로헥실, 또는 트리스-(히드록시메틸)메틸로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제3항에 있어서,
완충액이 3-(N-모폴리노)-프로판설폰산 또는 3-(N-모폴리노)에탄설폰산인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질이 증기압을 낮추는 추가 성분을 함유하고, 상기 추가 성분은 알킬렌글리콜 또는 폴리알킬렌글리콜인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제5항에 있어서,
상기 추가 성분이 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용매가 물, 알킬렌카보네이트, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제7항에 있어서,
상기 용매가 물, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도성 염의 음이온이 할로겐화물, 카보네이트, 설포네이트, 포스페이트, 및 포스포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제9항에 있어서,
상기 전도성 염의 음이온이 알킬-설포네이트, 알케닐-설포네이트, 아릴-설포네이트, 알킬-포스페이트, 알케닐-포스페이트, 아릴-포스페이트, 치환된 알킬-설포네이트, 치환된 알케닐-설포네이트, 치환된 아릴-설포네이트, 치환된 알킬-포스페이트, 치환된 알케닐-포스페이트, 치환된 아릴-포스페이트, 할로겐화 포스페이트, 할로겐화 설포네이트, 할로겐화 알킬-설포네이트, 할로겐화 알케닐-설포네이트, 할로겐화 아릴-설포네이트, 할로겐화 알킬-포스페이트, 할로겐화 알케닐-포스페이트, 및 할로겐화 아릴-포스페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제9항에 있어서,
상기 전도성 염의 음이온이 플루오로포스페이트, 알킬플루오로포스페이트, 및 아릴-설포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제9항에 있어서,
상기 전도성 염의 음이온이 퍼플루오르알킬플루오로포스페이트 및 톨루올설포네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도성 염이 양이온으로서 금속 이온, 오늄 이온, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제13항에 있어서,
상기 금속 이온이 알칼리금속 이온 또는 알칼리토류 금속 이온으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제14항에 있어서,
알칼리금속이 Li, K 또는 Na인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제13항에 있어서,
상기 오늄 이온이 암모늄 양이온, 포스포늄 양이온, 구아니디늄 양이온, 헤테로사이클릭 양이온, 이미다졸리움, 또는 치환된 이미다졸리움 이온으로부터 선택되고, 상기 치환된 이미다졸리움 이온은 하기 화학식 Ⅱ의 구조를 갖고:
화학식 Ⅱ
,
상기 식에서, R1, R2, R3, R4 및 R5는 -H, 1 내지 20개의 C-원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬, 2 내지 20개의 C-원자 및 하나 또는 그 초과의 2중 결합을 갖는 선형 또는 분지형 알케닐, 2 내지 20개의 C-원자 및 하나 또는 그 초과의 3중 결합을 갖는 선형 또는 분지형 알키닐, 3 내지 7개의 C-원자를 갖고 1 내지 6개의 C-원자를 갖는 알킬기로 치환될 수 있는 포화되거나, 일부 또는 전부 불포화된 시클로알킬, 포화되거나, 일부 또는 전부 불포화된 헤테로아릴, 헤테로아릴-C1-C6-알킬, 또는 아릴-C1-C6-알킬로부터 서로 독립적으로 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제16항에 있어서,
오늄 이온이 알킬-암모늄 양이온, 헤테로사이클릭 양이온, 이미다졸리움, 또는 치환된 이미다졸리움 이온으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제16항에 있어서, R2, R4 및 R5는 H이고 R1 및 R3는 각각 서로 독립적으로 선택된 1 내지 20개의 C-원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
유기 매개체가 치환된 1,2-디히드록시벤젠, 치환된 1,4-디히드록시벤젠, 및 치환된 안트라히드로퀴논으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제21항에 있어서,
치환된 1,2-디히드록시벤젠 및 치환된 1,4-디히드록시벤젠의 치환체들은 설포닐, 테르트-부틸, 히드록시, 알킬, 및 아릴을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용매가 프로필렌카보네이트 및 에틸렌카보네이트의 혼합물을 포함하고, 전도성 염은 LiCl, KCl, 테트라부틸암모늄톨루엔설포네이트, 1-헥실-3-메틸-이미다졸리움-트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 또는 이들 성분들 중 2개 이상의 혼합물로 이루어지며, 유기 매개체는 테르트-부틸-히드로퀴논인 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기 매개체가 10-2mol/l 또는 그 미만의 농도로 전해질 내에 함유되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기 매개체가 10-6mol/l 또는 그 초과의 농도로 전해질 내에 함유되는 것을 특징으로 하는, 전기화학식 가스 센서용 액체 전해질. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전해질의 제조 방법으로서, 상기 방법이
a. 반응기 내에 용매를 제공하는 단계;
b. 완충액을 첨가하는 단계;
c. 유기 매개체를 첨가하는 단계;
d. 150℃에서 15분 동안 교반 하에 혼합물을 가열하는 단계;
e. 모든 고형물이 용해될 때까지 추가적인 열 공급 없이 1시간 동안 교반하는 단계;
f. 실온으로 냉각하는 단계; 및
g. 전도성 염을 첨가하는 단계를 포함하는, 전해질의 제조 방법.
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