TWI642924B - 氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 - Google Patents
氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI642924B TWI642924B TW106145905A TW106145905A TWI642924B TW I642924 B TWI642924 B TW I642924B TW 106145905 A TW106145905 A TW 106145905A TW 106145905 A TW106145905 A TW 106145905A TW I642924 B TWI642924 B TW I642924B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- oxidizing gas
- metal oxide
- gas concentration
- light source
- reaction
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
一種氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置，適用於微量氧化性氣體檢測。氧化性氣體濃度檢測方法包含同時對散布有奈米導電物的金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應。接著，停止對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應，並施加第一脈波寬度調變訊號以讀取金屬氧化物的還原態電阻值。接著，提供氧化性氣體至被還原的金屬氧化物並光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物進行氧化還原反應。接著，施加第二脈波寬度調變訊號以讀取金屬氧化物的氧化態電阻值。接著，根據氧化態電阻值與還原態電阻值的比值換算氧化性氣體的濃度。
Description
本發明係關於一種氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置，特別是一種微量氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置。
空氣中的氧化性氣體濃度，例如二氧化氮的濃度、臭氧的濃度等等，是評估空氣汙染程度的幾項指標之一。空氣中的氧化性氣體來源主要為車輛排放的廢氣與工廠排放的廢氣。近年的研究發現，空氣中的氧化性氣體濃度過高時，將對人體的呼吸系統造成不良影響，例如刺激呼吸道以及促使肺功能降低，甚至使慢性肺疾病如氣喘、慢性支氣管炎、肺氣腫的病況加劇。因此，隨著空氣汙染防治所受的重視度日益上升，對空氣中的氧化性氣體濃度進行即時監測的需求也隨之提高。
傳統的氧化性氣體檢測裝置雖然具有高靈敏度與高準確性的優點，但也有體積龐大、構造複雜與造價高昂等缺點，並不適合用於環境氣體即時監測。目前常用的環境氣體即時監測裝置為金屬氧化物半導體檢測器。常用的金屬氧化物半導體檢測器具有體積小、成本低以及耐候性佳的優點，但也有檢測結果容易受還原性氣體干擾的缺點。此外，常用的金屬氧化物半導體檢測器在檢測微量氣體濃度時，需在攝氏200度以上的高溫下進行檢測，導致還原性氣體干擾檢測結果的情況更加明顯。因此，為了滿足日益上升的氧化性氣體濃度即時監測需求，有必要開發具有微量氣體濃度檢測能力，且檢測結果不易受還原氣體濃度影響的氧化性氣體檢測裝置。
本發明係關於一種氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置，用以滿足對微量氧化性氣體濃度即時監測的需求，以及解決檢測結果容易受還原性氣體干擾的問題。
本發明所揭露的氧化性氣體濃度檢測方法包含：提供一氣體檢測模組，氣體檢測模組包含一金屬氧化物以及複數個奈米導電物，奈米導電物散布於金屬氧化物中；同時對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；停止對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；施加第一脈波寬度調變訊號以讀取被還原的金屬氧化物的還原態電阻值；提供氧化性氣體至被還原的金屬氧化物；光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物以進行氧化還原反應；施加第二脈波寬度調變訊號以讀取被氧化的金屬氧化物的氧化態電阻值；以及根據氧化態電阻值與還原態電阻值的比值換算氧化性氣體的濃度。
本發明所揭露的氧化性氣體濃度檢測裝置包含氣體檢測模組、光源模組與控制模組。氣體檢測模組包含金屬氧化物以及複數個奈米導電物。奈米導電物散布於金屬氧化物中。金屬氧化物用以與氧化性氣體進行氧化還原反應。光源模組包含光致還原光源以及光催化光源。光致還原光源用以照射與驅使金屬氧化物被光致還原。光催化光源用以催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物反應，使氧化性氣體被還原。控制模組電性連接氣體檢測模組以及光源模組。控制模組用以在定壓模式下驅使金屬氧化物被電致還原與被光致還原，以及在脈波寬度調變模式下偵測被還原的金屬氧化物的還原態電阻值與被氧化的金屬氧化物的氧化態電阻值。氧化態電阻值與還原態電阻值的比值用於換算氧化性氣體的濃度。
根據上述本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置，透過先同時對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；接著，停止對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；接著，施加第一脈波寬度調變訊號以讀取被還原的金屬氧化物的還原態電阻值；接著，提供氧化性氣體至被還原的金屬氧化物；接著，光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物以進行氧化還原反應；接著，施加第二脈波寬度調變訊號以讀取被氧化的金屬氧化物的氧化態電阻值，氧化性氣體濃度檢測方法的靈敏度得到提高。再者，透過光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物以進行氧化還原反應，氧化性氣體濃度檢測結果不易受還原性氣體干擾。如此一來，上述本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置可滿足對微量氧化性氣體濃度即時監測的需求，以及解決檢測結果容易受還原性氣體干擾的問題。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
首先，說明本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置，請參照圖1至圖4。圖1為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置的示意圖。圖2為圖1之氧化性氣體濃度檢測裝置之氣體檢測模組的示意圖。圖3為圖1之氧化性氣體濃度檢測裝置的方塊圖。
本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置1包含一氣體檢測模組110、一光源模組120、一控制模組130以及一殼體140。氣體檢測模組110、光源模組120與控制模組130設置於殼體140內部。氣體檢測模組110與光源模組120透過控制模組130彼此電性連接。
氣體檢測模組110包含一基板111、一金屬氧化物112、複數個奈米導電物113、一第一電極114、一第二電極115以及一奈米金屬觸媒層116。基板111用於承載金屬氧化物112，其材質例如為陶瓷、高分子材料或玻璃。
金屬氧化物112設置於基板111。當金屬氧化物112與氧化性氣體接觸時，金屬氧化物112與氧化性氣體可進行氧化還原反應。例如，當金屬氧化物112與二氧化氮接觸時，金屬氧化物112與二氧化氮可進行如式一所示的氧化還原反應。當金屬氧化物112呈還原態(H
yMO
x)時，還原態的金屬氧化物具有低電阻。反之，當金屬氧化物112呈氧化態(MO
x)時，氧化態的金屬氧化物具有高電阻。金屬氧化物112例如為二氧化錫、氧化鋅、三氧化二銦、三氧化鎢或二氧化鈦。金屬氧化物112較佳為三氧化鎢或二氧化鈦。
式一 H
yMO
3−x+ yNO
2« MO
3−x+ yH
++ yNO
2 -
於金屬氧化物112與氧化性氣體進行的氧化還原反應中，透過對金屬氧化物112施加電壓或是波長匹配於金屬氧化物能隙的光照，可提高還原態的金屬氧化物在整個金屬氧化物112中所佔的比例。透過對氧化性氣體施加可激發氧化性氣體活性的光照，可提高氧化態的金屬氧化物在整個金屬氧化物112中所佔的比例。
奈米導電物113散布於金屬氧化物112中，用以提高金屬氧化物112整體的導電性。奈米導電物112例如為具有sp2混成軌域的奈米碳材或導電高分子材料。奈米碳材包含奈米碳管、石墨烯與奈米碳球(Nano-Fullerene/Nano-Onion)。導電高分子材料包含聚乙炔、聚塞吩(PT)、聚吡咯(PPY)、聚苯胺(PANI)、聚3,4-乙撐二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT-PSS)與3-己基噻吩(P3HT，3-hexylthiophene)。
第一電極114與第二電極115設置於基板111。第一電極114與第二電極115分別連接金屬氧化物112的相對二側。第一電極114與第二電極115用於施加電壓於金屬氧化物112以提高還原態(H
yMO
x)的金屬氧化物112在整個金屬氧化物112中所佔的比例。第一電極114與第二電極115亦用於施加電壓於金屬氧化物112，以讀取金屬氧化物112的電阻值。在還原金屬氧化物112時，第一電極114與第二電極115施加的電壓例如為5至10伏特。
於本實施例的氧化性氣體濃度檢測裝置1中，金屬氧化物112僅直接電性連接第一電極114與第二電極115。如此一來，相較於習用氧化性氣體濃度檢測裝置使用不同的兩組電極分別施加電壓於金屬氧化物進行電致還原反應以及讀取金屬氧化物的電阻值，本實施例的氧化性氣體濃度檢測裝置1以一組電極兼用電致還原反應與電阻值讀取，具有結構單純、製造成本較低、易於微型化等優點。
奈米金屬觸媒層116設置於金屬氧化物遠離基板111的表面。奈米金屬觸媒層116用於催化氧化性氣體與金屬氧化物112進行氧化還原反應。奈米金屬觸媒層116例如為金/銀混合物、金、銀或鈀。本實施例的氣體檢測模組110包含奈米金屬觸媒層116，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，氣體檢測模組110可不包含有奈米金屬觸媒層116。
光源模組120包含一光致還原光源121以及二光催化光源122、123。光致還原光源121用以照射與驅使金屬氧化物112被光致還原。二光催化光源122、123用以催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物進行氧化還原反應，使氧化性氣體被還原。光致還原光源121為光波長254奈米至430奈米的光源，例如為光波長254奈米的紫外光源、光波長365奈米的紫外光源或是藍光光源。光催化光源122、123為光波長550奈米至950奈米，且二光源光波長彼此相異的二光催化光源，例如為光波長850奈米的近紅外光光源與光波長590奈米的可見光光源。於本實施例的氧化性氣體濃度檢測裝置1中，光催化光源的數量為二，但不以此為限。於本發明其他實施例的氧化性氣體濃度檢測裝置中，光催化光源為可同時發出由相異光波長構成的複合光的一複合光源，或是一單色光源。
控制模組130例如但不限是電腦等資料處理裝置，其包含電性連接於氣體檢測模組110的一脈波寬度調變器131、一第一電壓調節器132、一第二電壓調節器133，以及電性連接於氣體檢測模組110和光源模組120的一控制器134。控制模組130用以在一定壓模式下驅使金屬氧化物112被電致還原與被光致還原，以及在一脈波寬度調變模式下偵測被還原的金屬氧化物112的一還原態電阻值與被氧化的金屬氧化物112的一氧化態電阻值。詳細來說，在定壓模式下，氣體檢測模組110經控制器134電性連接於一電源P，並且控制器134指示第一電壓調節器132與第二電壓調節器133維持第一電極114與第二電極115的電壓以進行金屬氧化物112的電致還原，同時控制器134還指示光源模組120的光致還原光源121發光以進行金屬氧化物112的光致還原。在脈波寬度調變模式下，氣體檢測模組110經控制器134與脈波寬度調變器131電性連接於電源P。控制器134指示脈波寬度調變器131將電源輸出之電壓訊號轉換成具有一定脈寬的脈波寬度調變訊號，而能多次讀取還原的金屬氧化物112的還原態電阻值與被氧化的金屬氧化物112的氧化態電阻值。氧化態電阻值與還原態電阻值的比值用於換算氧化性氣體的濃度。
以下說明本發明之氧化性氣體濃度檢測方法。請參照圖4和圖5。圖4為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法的流程圖。圖5為使用本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法進行檢測時的施加電壓、施加光照與測得電阻對時間變化的示意圖。氧化性氣體濃度檢測方法包含步驟S101至S108。
首先執行步驟S101，係提供包含金屬氧化物以及奈米導電物的氣體檢測模組。在本實施例中，步驟S101提供如圖1之氧化性氣體濃度檢測裝置1，且此氧化性氣體濃度檢測裝置1包含所需之氣體檢測模組110。
接著，執行步驟S102，係同時對氣體檢測模組110之金屬氧化物112進行電致還原反應以及光致還原反應。在本實施例中，利用氧化性氣體濃度檢測裝置1的控制模組130同時啟動氣體檢測模組110的第一電極114、第二電極115與光源模組120的光致還原光源121。此時，控制模組130之控制器134指示第一電壓調節器132與第二電壓調節器133維持第一電極114與第二電極115的電壓為5伏特至10伏特的定值(例如將電壓維持在10V)，而使氣體檢測模組110處於定壓狀態。將第一電極114與第二電極115的電壓維持在5伏特至10伏特有助於提升還原金屬氧化物112的效率。
如圖5所示，在定壓狀態下，第一電極114與第二電極115施加固定電壓給金屬氧化物112並持續一段時間，使氧化態(MO
x)的金屬氧化物112還原為還原態(H
yMO
x)，進而令金屬氧化物112的電阻下降。同時在定壓狀態下，光致還原光源121朝向金屬氧化物112照射紫外光或藍光，以進一步提升金屬氧化物112的還原效率。在進行光致還原反應時，光致還原光源121以波長254奈米至430奈米的光線對金屬氧化物112照射約0.1至5分鐘，能以適當效率與較少能源消耗還原金屬氧化物112。
接著，執行步驟S103，係停止對金屬氧化物112進行電致還原反應以及光致還原反應。在本實施例中，利用控制模組130同時或依序關閉第一電極114、第二電極115與光致還原光源121。詳細來說，電致還原反應的反應速率通常會較光致還原反應來得慢，故本實施例係先停止對金屬氧化物112進行光致還原反應，接著於0.1秒至5分鐘後再停止對金屬氧化物112進行電致還原反應。
接著，執行步驟S104，係施加第一脈波寬度調變訊號W1以讀取被還原之金屬氧化物112的還原態電阻值Rair。如圖5所示，利用控制模組130將氣體檢測模組110從定壓模式切換成脈波寬度調變模式，使得將第一電極114與第二電極115的電壓轉變成週期性訊號而產生第一脈波寬度調變訊號W1。採用第一脈波寬度調變訊號W1讀取金屬氧化物112的電阻值，有助於避免因施加電壓時間過長而導致金屬氧化物112在量測過程中仍發生還原，進而確保讀取到之電阻值的可靠度。進一步來說，所施加之第一脈波寬度調變訊號W1的電壓為3至7伏特(例如為5伏特)，頻率為5至15赫茲(例如為10赫茲)，且施加時間為0.1毫秒至1000毫秒(例如為100毫秒)，而有助於在較少能源消耗的情況下成功讀取金屬氧化物112的還原態電阻值Rair。在本實施例中，可多次讀取還原態金屬氧化物112的電阻值後得到還原態電阻值Rair，例如將多個量測到的電阻值取一算術平均數來作為金屬氧化物112的還原態電阻值Rair。
接著，執行步驟S105，係提供氧化性氣體至還原的金屬氧化物112。在本實施例中，從殼體140側壁上的開口通入氧化性氣體，以使氧化性氣體在殼體140內部擴散，進而接觸到金屬氧化物112。氧化性氣體例如但不限於是二氧化氮或臭氧。
接著，執行步驟S106，係光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物112，以進行氧化還原反應。如圖5所示，利用控制模組130啟動光源模組120的光催化光源122、123照射已經還原的金屬氧化物112，使氧化性氣體與金屬氧化物112發生反應，進而將還原態(H
yMO
x)金屬氧化物112再次氧化成氧化態(MO
x)。在進行光催化時，光催化光源122、123以波長550奈米至950奈米的光線照射被還原之金屬氧化物112與氧化性氣體接觸的一接觸面。在本實施例中，光催化光源122、123分別為波長590奈米的黃光光源與波長850奈米的近紅外光光源，而以雙色複合光對金屬氧化物112進行光催化。
接著，執行步驟S107，係施加第二脈波寬度調變訊號W2以讀取被氧化的金屬氧化物112的氧化態電阻值Rs。如圖5所示，利用控制模組130改變第一電極114與第二電極115的電壓週期性，而使氣體檢測模組110產生第二脈波寬度調變訊號W2。採用第二脈波寬度調變訊號W2讀取金屬氧化物112的電阻值，有助於避免因施加電壓時間過長而導致金屬氧化物112在量測過程中發生還原，進而確保讀取到之電阻值的可靠度。進一步來說，所施加之第二脈波寬度調變訊號W2的電壓為3至7伏特(例如為5伏特)，頻率為5至1000赫茲(例如為10赫茲)，且施加時間為0.1毫秒至1000毫秒(例如為500毫秒)，而有助於在較少能源消耗的情況下成功讀取金屬氧化物112的氧化態電阻值Rs。在本實施例中，可多次讀取氧化態金屬氧化物112的電阻值後得到氧化態電阻值Rs，例如將多個量測到的電阻值取一算術平均數來作為金屬氧化物112的氧化態電阻值Rs。
接著，執行步驟S108，係根據氧化態電阻值Rs與還原態電阻值Rair的比值換算氧化性氣體的濃度。在本實施例中，氧化態電阻值Rs與還原態電阻值Rair的比值可輸出至一計算機(未繪示)，並且將此比值與儲存於計算機內的一資料庫進行比對，以得到氧化性氣體的濃度。
取代習用以加熱方式讓金屬氧化物與氧化性氣體反應，本實施例的氧化性氣體濃度檢測方法採用光致還原與光催化的方式將金屬氧化物112還原和氧化，因此可在室溫下執行步驟S106，而有助於使氧化性氣體濃度檢測結果不易受到還原性氣體干擾。
在步驟S102中，以光致還原光源121發出波長254奈米至430奈米的光進行光致還原反應，能有效還原金屬氧化物112。請參照圖6，為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光致還原反應所得的還原態電阻值示意圖。下表一提供本發明之實施例一至實施例三的氧化性氣體濃度檢測裝置，其中實施例一和實施例二之光源模組的光致還原光源有不同的光波長，且實施例三沒有光致還原光源。實施例一至實施例三均執行圖4之氧化性氣體濃度檢測方法的步驟S102。
表一
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例一 </td><td> 實施例二 </td><td> 實施例三 </td></tr><tr><td> 金屬氧化物 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td></tr><tr><td> 光致還原光源 </td><td> 紫外光(波長365奈米) </td><td> 日光燈 </td><td> 無光(黑室) </td></tr></TBODY></TABLE>
如圖6所示，執行步驟S102後，實施例一測得的金屬氧化物之還原態電阻值較小，而實施例二、三測得的金屬氧化物之還原態電阻值較大，表示在使用光致還原光源照射相同時間後，實施例一有較多的氧化態金屬氧化物被還原成還原態，意即實施例一中金屬氧化物的還原速度較快。然而，本發明並不限於以波長254奈米至430奈米的光進行步驟S102的光致還原反應。
在步驟S106中，以雙色複合光進行光催化，能有效氧化金屬氧化物112。請參照圖7，為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光催化氧化還原反應所得的靈敏度示意圖。下表二提供本發明之實施例四至實施例七的氧化性氣體濃度檢測裝置，其中實施例四的光源模組包含波長不同(590奈米與850奈米)的二光催化光源，實施例五至實施例七的光源模組包含單一波長的一光催化光源。實施例四至實施例七均執行圖4之氧化性氣體濃度檢測方法的步驟S106。
表二
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例四 </td><td> 實施例五 </td><td> 實施例六 </td><td> 實施例七 </td></tr><tr><td> 金屬氧化物 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體濃度 </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td></tr><tr><td> 光催化光源 </td><td> 黃光 (590奈米) 近紅外光 (850奈米) </td><td> 黃光 (590奈米) </td><td> 近紅外光 (850奈米) </td><td> 藍光 (430奈米) </td></tr></TBODY></TABLE>
如圖7所示，執行步驟S106後，實施例四測得的金屬氧化物之氧化態電阻值與還原態電阻值的比值(Rs/Rair)較大，而實施例五至七測得的比值Rs/Rair較小，表示在使用光催化光源照射相同時間後，用二個光催化光源照射雙色複合光的實施例四有較多的還原態金屬氧化物與氧化性氣體反應而被氧化成氧化態，意即實施例四中金屬氧化物與氧化性氣體的反應速度較快。然而，本發明並不限於以雙色複合光進行步驟S106的光催化。
在步驟S106中，以波長550奈米至950奈米的光進行光催化，能有效氧化金屬氧化物112。請參照圖8，為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光致還原反應所得的還原態電阻值示意圖。下表三提供本發明之實施例八至實施例十一的氧化性氣體濃度檢測裝置，其中實施例八至十的光源模組包含波長不同的光催化光源，且實施例十一缺少光催化光源。實施例八至實施例十一均執行圖4之氧化性氣體濃度檢測方法的步驟S106。
表三
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例八 </td><td> 實施例九 </td><td> 實施例十 </td><td> 實施例十一 </td></tr><tr><td> 金屬氧化物 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體 濃度 </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td></tr><tr><td> 光催化光源 </td><td> 黃光 (590奈米) 近紅外光 (850奈米) </td><td> 黃光 (590奈米) </td><td> 日光燈 </td><td> 無(黑室) </td></tr></TBODY></TABLE>
如圖8所示，執行步驟S106後，實施例八與實施例九測得的金屬氧化物之氧化態電阻值與還原態電阻值的比值(Rs/Rair)較大，而實施例十與實施例十一測得的比值較小，表示在使用光催化光源照射相同時間後，用波長550奈米至950奈米的光照射的實施例八與實施例九有較多的還原態金屬氧化物與氧化性氣體反應而被氧化成氧化態，意即實施例八與實施例九中金屬氧化物與氧化性氣體的反應速度較快。然而，本發明並不限於以波長550奈米至950奈米的光進行步驟S106的光催化。
本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法與氧化性氣體濃度檢測裝置具有高靈敏度，而可應用於低濃度氧化性氣體的檢測。請參照圖9，為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法在不同氧化性氣體濃度下之靈敏度的示意圖。即便是極低濃度(0.2ppm至1ppm)的氧化性氣體與金屬氧化物發生氧化反應，採用本發明之氧化性氣體濃度檢測方法與氧化性氣體濃度檢測裝置也能得到足夠大的氧化態電阻值與還原態電阻值之比值(Rs/Rair)。
本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法採用光催化方式將金屬氧化物氧化，有助於使氧化性氣體濃度檢測結果不易受到還原性氣體干擾。請參照圖10，為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法與比較例之氧化性氣體濃度檢測方法在不同干擾氣體干擾下的相對靈敏度的示意圖。其中，比較例之氧化性氣體濃度檢測方法為習用以加熱方式讓金屬氧化物和氧化性氣體反應的檢測方法。如圖10所示，在檢測氧化性氣體(二氧化氮)時，本發明之實施例與比較例的相對靈敏度相當，即兩者都能精確檢測到氧化性氣體的濃度。然而，當檢測含有氧化性氣體與還原性氣體(如氫氣、氬氣、醇類氣體)的混合氣體時，比較例對於還原性氣體有較高的相對靈敏度，因此容易受到還原性氣體干擾而得到錯誤的金屬氧化物電阻值，進而檢測到的氧化性氣體濃度與實際濃度會有所差異。
本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置包含奈米金屬觸媒層，用於催化氧化性氣體與金屬氧化物進行氧化還原反應，進而提升氧化還原反應效率。請參照圖11，為依照本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法操作本發明實施例與比較例的氧化性氣體檢測裝置進行氧化性氣體濃度檢測的結果示意圖。下表四提供本發明之實施例十二和實施例十三的氧化性氣體濃度檢測裝置，其中實施例十二的氣體檢測模組包含奈米銀金屬觸媒層，且實施例十三的氣體檢測模組缺少奈米金屬觸媒層。實施例十二和實施例十三均執行圖4之氧化性氣體濃度檢測方法。
表四
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例十二 </td><td> 實施例十三 </td></tr><tr><td> 金屬氧化物 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td></tr><tr><td> 奈米導電物 </td><td> 奈米碳材 </td><td> 奈米碳材 </td></tr><tr><td> 奈米金屬觸媒層 </td><td> 銀 </td><td> 無 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體濃度 </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td></tr><tr><td> 光催化光源 </td><td> 黃光(590奈米) 近紅外光(850奈米) </td><td> 黃光(590奈米) 近紅外光(850奈米) </td></tr></TBODY></TABLE>
如圖11所示，實施例十二測得的金屬氧化物之氧化態電阻值與還原態電阻值的比值(Rs/Rair)較大，表示在使用光催化光源照射相同時間後，含有奈米金屬觸媒層之氣體檢測模組的實施例十二有較多的還原態金屬氧化物與氧化性氣體反應而被氧化成氧化態，意即實施例十二中金屬氧化物與氧化性氣體的反應速度較快。然而，本發明並不限於含有奈米金屬觸媒層的氣體檢測模組。
本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置中的奈米金屬觸媒層為金/銀混合物，具有比金、銀或鈀更好的催化效果。請參照圖12，為依照本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法操作本發明不同實施例的氧化性氣體檢測裝置進行氧化性氣體濃度檢測的結果示意圖。下表五提供本發明之實施例十四至實施例十六的氧化性氣體濃度檢測裝置，其中實施例十四的氣體檢測模組包含奈米金/奈米銀混合物的金屬觸媒層，實施例十五的氣體檢測模組包含奈米銀金屬觸媒層，且實施例十六的氣體檢測模組包含奈米金金屬觸媒層。實施例十四至實施例十六均執行圖4之氧化性氣體濃度檢測方法。
表五
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 實施例十四 </td><td> 實施例十五 </td><td> 實施例十六 </td></tr><tr><td> 金屬氧化物 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td><td> 三氧化鎢 </td></tr><tr><td> 奈米導電物 </td><td> 奈米碳材 </td><td> 奈米碳材 </td><td> 奈米碳材 </td></tr><tr><td> 奈米金屬觸媒層 </td><td> 金/銀混合物 </td><td> 銀 </td><td> 金 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td><td> 二氧化氮 </td></tr><tr><td> 氧化性氣體濃度 </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td><td> 1ppm </td></tr><tr><td> 光催化光源 </td><td> 黃光(590奈米) 近紅外光(850奈米) </td><td> 黃光(590奈米) 近紅外光(850奈米) </td><td> 黃光(590奈米) 近紅外光(850奈米) </td></tr></TBODY></TABLE>
如圖12所示，實施例十四測得的金屬氧化物之氧化態電阻值與還原態電阻值的比值(Rs/Rair)較大，表示在使用光催化光源照射相同時間後，含有金/銀混合物之奈米金屬觸媒層的實施例十四有較多的還原態金屬氧化物與氧化性氣體反應而被氧化成氧化態，意即實施例十四中金屬氧化物與氧化性氣體的反應速度較快。含有銀之奈米金屬觸媒層的實施例十五的反應速度次快。然而，本發明並不限於金/銀混合物的奈米金屬觸媒層。
綜上所述，本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置中，透過先同時對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；接著，停止對金屬氧化物進行電致還原反應以及光致還原反應；接著，施加第一脈波寬度調變訊號以讀取被還原的金屬氧化物的還原態電阻值；接著，提供氧化性氣體至被還原的金屬氧化物；接著，光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物以進行氧化還原反應；接著，施加第二脈波寬度調變訊號以讀取被氧化的金屬氧化物的氧化態電阻值，氧化性氣體濃度檢測方法的靈敏度得到提高。再者，透過光催化氧化性氣體與被還原的金屬氧化物以進行氧化還原反應，氧化性氣體濃度檢測結果不易受還原性氣體干擾。如此一來，上述本發明所揭露之氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置可滿足對微量氧化性氣體濃度即時監測的需求，以及解決檢測結果容易受還原性氣體干擾的問題。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧氧化性氣體濃度檢測裝置
110‧‧‧氣體檢測模組
111‧‧‧基板
112‧‧‧金屬氧化物
113‧‧‧奈米導電物
114‧‧‧第一電極
115‧‧‧第二電極
116‧‧‧奈米金屬觸媒層
120‧‧‧光源模組
121‧‧‧光致還原光源
122‧‧‧光催化光源
123‧‧‧光催化光源
130‧‧‧控制模組
131‧‧‧脈波寬度調變器
132‧‧‧第一電壓調節器
133‧‧‧第二電壓調節器
134‧‧‧控制器
140‧‧‧殼體
S101~S108‧‧‧步驟
P‧‧‧電源
W1‧‧‧第一脈波寬度調變訊號
W2‧‧‧第二脈波寬度調變訊號
Rair‧‧‧還原態電阻值
Rs‧‧‧氧化態電阻值
圖1為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測裝置的示意圖。 圖2為圖1之氧化性氣體濃度檢測裝置之氣體檢測模組的示意圖。 圖3為圖1之氧化性氣體濃度檢測裝置的方塊圖。 圖4為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法的流程圖。 圖5為使用本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法進行檢測時的施加電壓、施加光照與測得電阻對時間變化的示意圖。 圖6為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光致還原反應所得的還原態電阻值示意圖。 圖7為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光催化氧化還原反應所得的靈敏度示意圖。 圖8為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法使用不同光源進行光致還原反應所得的還原態電阻值示意圖。 圖9為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法在不同氧化性氣體濃度下之靈敏度的示意圖。 圖10為本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法與比較例之氧化性氣體濃度檢測方法在不同干擾氣體干擾下的相對靈敏度的示意圖。 圖11為依照本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法操作本發明實施例與比較例的氧化性氣體檢測裝置進行氧化性氣體濃度檢測的結果示意圖。 圖12為依照本發明一實施例之氧化性氣體濃度檢測方法操作本發明不同實施例的氧化性氣體檢測裝置進行氧化性氣體濃度檢測的結果示意圖。
Claims (24)
- 一種氧化性氣體濃度檢測方法，包含：提供一氣體檢測模組，該氣體檢測模組包含一金屬氧化物以及複數個奈米導電物，該些奈米導電物散布於該金屬氧化物中；同時對該金屬氧化物進行一電致還原反應以及一光致還原反應；停止對該金屬氧化物進行該電致還原反應以及該光致還原反應；施加一第一脈波寬度調變訊號以讀取被還原的該金屬氧化物的一還原態電阻值；提供一氧化性氣體至被還原的該金屬氧化物；光催化該氧化性氣體與被還原的該金屬氧化物以進行一氧化還原反應；施加一第二脈波寬度調變訊號以讀取被氧化的該金屬氧化物的一氧化態電阻值；以及根據該氧化態電阻值與該還原態電阻值的比值換算該氧化性氣體的濃度。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中對該金屬氧化物進行該電致還原反應是施加5至10伏特的電壓於該金屬氧化物。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中對該金屬氧化物進行該光致還原反應是以波長254奈米至430奈米的光照射該金屬氧化物。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中同時對該金屬氧化物進行該電致還原反應以及該光致還原反應的時間為0.1至5分鐘。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中停止對該金屬氧化物進行該電致還原反應以及該光致還原反應的步驟是先停止對該金屬氧化物進行該光致還原反應，接著於0.1至5分鐘後再停止對該金屬氧化物進行該電致還原反應。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中該第一脈波寬度調變訊號為電壓3至7伏特且頻率5至15赫茲的脈波寬度調變訊號。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中施加該第一脈波寬度調變訊號的時間為0.1毫秒至1000毫秒。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中光催化該氧化性氣體與被還原的該金屬氧化物進行該氧化還原反應的步驟是以波長550奈米至950奈米的單色光照射被還原的該金屬氧化物與該氧化性氣體接觸的一接觸面。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中光催化該氧化性氣體與被還原的該金屬氧化物進行該氧化還原反應的步驟是以波長550奈米至950奈米的雙色複合光照射被還原的該金屬氧化物與該氧化性氣體接觸的一接觸面。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中該第二脈波寬度調變訊號為電壓3至7伏特且頻率5至1000赫茲的脈波寬度調變訊號。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中施加該第二脈波寬度調變訊號的時間為0.1毫秒至1000毫秒。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中該氧化性氣體為二氧化氮或臭氧。
- 如請求項1所述之氧化性氣體濃度檢測方法，其中光催化該氧化性氣體與被還原的該金屬氧化物進行該氧化還原反應的步驟係在室溫下進行。
- 一種氧化性氣體濃度檢測裝置，包含：一氣體檢測模組，包含一金屬氧化物以及複數個奈米導電物，該些奈米導電物散布於該金屬氧化物中，該金屬氧化物用以與一氧化性氣體進行氧化還原反應；一光源模組，包含一光致還原光源以及至少一光催化光源，該光致還原光源用以照射與驅使該金屬氧化物被光致還原，以及該至少一光催化光源用以催化該氧化性氣體與被還原的該金屬氧化物反應，使該氧化性氣體被還原；以及一控制模組，電性連接該氣體檢測模組以及該光源模組，該控制模組用以在一定壓模式下驅使該金屬氧化物被電致還原與被光致還原，以及在一脈波寬度調變模式下偵測被還原的該金屬氧化物的一還原態電阻值與被氧化的該金屬氧化物的一氧化態電阻值，其中該氧化態電阻值與該還原態電阻值的比值用於換算該氧化性氣體的濃度。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該控制模組包含一脈波寬度調變器與一控制器，於該定壓模式下，該氣體檢測模組經該控制器電性連接一電源，於該脈波寬度調變模式下，該氣體檢測模組經該控制器與該脈波寬度調變器電性連接該電源。
- 如請求項15所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該氣體檢測模組更包含一第一電極與一第二電極，該金屬氧化物僅直接電性連接該第一電極與該第二電極，該第一電極電性連接該控制器。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該光致還原光源為光波長254奈米至430奈米的光源，該至少一光催化光源為光波長550奈米至950奈米的光源。
- 如請求項17所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該至少一光催化光源為光波長彼此相異的二光催化光源。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該光致還原光源為光波長365奈米的光源，該光催化光源包含光波長850奈米的一近紅外光光源與光波長590奈米的一可見光光源。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該金屬氧化物為三氧化鎢或二氧化鈦。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該奈米導電物為奈米碳管、石墨烯、聚乙炔、聚塞吩(PT)、聚吡咯(PPY)、聚苯胺(PANI)、或聚3,4-乙撐二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT-PSS)。
- 如請求項14所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該氣體檢測模組更包含一奈米金屬觸媒層，該奈米金屬觸媒層設置於該金屬氧化物表面，該奈米金屬觸媒層用以催化該氧化性氣體與該金屬氧化物進行氧化還原反應。
- 如請求項22所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該奈米金屬觸媒層的材料為金、銀或鈀。
- 如請求項23所述之氧化性氣體濃度檢測裝置，其中該奈米金屬觸媒層的材料為金與銀的混合物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW106145905A TWI642924B (zh) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | 氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW106145905A TWI642924B (zh) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | 氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI642924B true TWI642924B (zh) | 2018-12-01 |
| TW201928324A TW201928324A (zh) | 2019-07-16 |
Family
ID=65431903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW106145905A TWI642924B (zh) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | 氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI642924B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080110241A1 (en) * | 2004-05-17 | 2008-05-15 | Avner Rothschild | Photo-induced sensitivity and selectivity of semiconductor gas sensors |
| CN101458221B (zh) * | 2008-12-26 | 2012-08-22 | 尚沃医疗电子无锡有限公司 | 金属氧化物/碳纳米管气体传感器 |
| CN104569061B (zh) * | 2015-01-26 | 2017-06-30 | 苏州纳格光电科技有限公司 | 金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法 |
| CN107315034A (zh) * | 2016-04-26 | 2017-11-03 | 松下知识产权经营株式会社 | 气体检测装置以及氢检测方法 |
-
2017
- 2017-12-27 TW TW106145905A patent/TWI642924B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080110241A1 (en) * | 2004-05-17 | 2008-05-15 | Avner Rothschild | Photo-induced sensitivity and selectivity of semiconductor gas sensors |
| CN101458221B (zh) * | 2008-12-26 | 2012-08-22 | 尚沃医疗电子无锡有限公司 | 金属氧化物/碳纳米管气体传感器 |
| CN104569061B (zh) * | 2015-01-26 | 2017-06-30 | 苏州纳格光电科技有限公司 | 金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法 |
| CN107315034A (zh) * | 2016-04-26 | 2017-11-03 | 松下知识产权经营株式会社 | 气体检测装置以及氢检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201928324A (zh) | 2019-07-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tang et al. | An ammonia sensor composed of polypyrrole synthesized on reduced graphene oxide by electropolymerization | |
| Yu et al. | Quantifying wavelength-dependent plasmonic hot carrier energy distributions at metal/semiconductor interfaces | |
| Bahnemann et al. | Charge carrier dynamics at TiO2 particles: reactivity of free and trapped holes | |
| Dobson et al. | An infrared spectroscopic study of carbonate adsorption to zirconium dioxide sol− gel films from aqueous solutions | |
| de Lacy Costello et al. | Highly sensitive room temperature sensors based on the UV-LED activation of zinc oxide nanoparticles | |
| Soomro et al. | In-situ engineered MXene-TiO2/BiVO4 hybrid as an efficient photoelectrochemical platform for sensitive detection of soluble CD44 proteins | |
| Chen et al. | Unraveling photoexcited electron transfer pathway of oxygen vacancy-enriched ZnO/Pd hybrid toward visible light-enhanced methane detection at a relatively low temperature | |
| Hepel et al. | Photoelectrochemical mineralization of textile diazo dye pollutants using nanocrystalline WO3 electrodes | |
| Ekstroem et al. | In situ infrared spectroscopy of glyoxylic acid adsorption and photocatalysis on TiO2 in aqueous solution | |
| Murakami et al. | Double-beam photoacoustic spectroscopic studies on transient absorption of titanium (IV) oxide photocatalyst powders | |
| Baumanis et al. | TiO2 thin film electrodes: correlation between photocatalytic activity and electrochemical properties | |
| US7329877B2 (en) | Photoelectrocatalytic sensor for measuring oxidizable impurities in air | |
| Aliha et al. | The sensing behaviour of metal oxides (ZnO, CuO and Sm2O3) doped-SnO2 for detection of low concentrations of chlorinated volatile organic compounds | |
| US10768135B2 (en) | Oxidizing gas detection method and apparatus thereof | |
| Liu et al. | Tin oxide films for nitrogen dioxide gas detection at low temperatures | |
| Marikutsa et al. | Comparison of Au-functionalized semiconductor metal oxides in sensitivity to VOC | |
| Ke et al. | Low temperature kinetics and energetics of the electron and hole traps in irradiated TiO2 nanoparticles as revealed by EPR spectroscopy | |
| Chuang et al. | Photochemistry of methanol and methoxy groups adsorbed on powdered TiO2 | |
| US8414831B2 (en) | Chlorine gas sensing system | |
| Li et al. | Label-free electrochemiluminescence immunosensor based on Ce-MOF@ g-C3N4/Au nanocomposite for detection of N-terminal pro-B-type natriuretic peptide | |
| Hsu et al. | Spontaneous formation of CuO nanosheets on Cu foil for H2O2 detection | |
| Mao et al. | A microfluidic cloth-based photoelectrochemical analytical device for the detection of glucose in saliva | |
| TWI642924B (zh) | 氧化性氣體濃度檢測方法及其裝置 | |
| CN109975362B (zh) | 氧化性气体浓度检测方法及其装置 | |
| Awatani et al. | Adsorbed thiosulfate intermediate of cadmium sulfide aqueous photocorrosion detected and characterized by in situ infrared spectroscopy |