WO2015026104A1 - Hydrogen ion electrode composed of composite material of nano iridium oxide and polymer resin and enabling surface regeneration, ph sensor using same, and method for manufacturing same - Google Patents

Hydrogen ion electrode composed of composite material of nano iridium oxide and polymer resin and enabling surface regeneration, ph sensor using same, and method for manufacturing same Download PDF

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WO2015026104A1
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hydrogen ion
iridium oxide
ion electrode
polymer resin
nano
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PCT/KR2014/007578
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Korean (ko)
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박종만
김문희
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주식회사 이지센싱
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/302Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells pH sensitive, e.g. quinhydron, antimony or hydrogen electrodes

Definitions

  • the present specification relates to a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin and capable of surface regeneration by surface polishing, a pH sensor using the same, and a method of manufacturing the same.
  • PH is used as one of basic analysis items in various fields such as environment, food, medicine and medicine, and a pH sensor is used to measure this.
  • a pH selective glass film electrode has been used as a pH sensor.
  • this electrode is fragile and difficult to activate when fouling.
  • Metal oxide films formed on the metal electrode surface can be used for hydrogen ion concentration measurement because the redox potential of these oxides depends on the hydrogen ion concentration.
  • Such metal oxides include TiO 2 , RuO 2 , RhO 2 , SnO 2 , Ta 2 O 5 , OsO 2 , PdO 2 , PtO 2 or IrO 2 (Non-Patent Document 1).
  • the reversible redox potential of the metal oxide is mostly dependent on the hydrogen ion concentration.
  • the sputtering method, high temperature pyrolysis method, electrochemical oxidation method of metal wire, etc. are applied to manufacture these metal oxide film pH electrodes.
  • Typical electrochemical techniques include iridium (Ir) metal electrodes immersed in sulfuric acid solution, for example, oxidizing the electrode's iridium to iridium (IV) oxide while traversing the electrode potential between -0.25V and + 1.25V (vs. SCE). It's the way to go.
  • Iridium oxide formed on the surface of the metal electrode is a hydrated iridium oxide, IrO 2 ⁇ 4H 2 O, Ir (OH) 4 ⁇ 2H 2 O, [IrO 2 (OH) 2 ⁇ 2H 2 O] 2- and the like. It is known to exhibit super-Nerntian responsiveness of about -90 dB / pH unit (Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 3 A sensitivity of about ⁇ 59 ⁇ s / pH is shown (Non-Patent Document 3).
  • the iridium oxide coating film electrode manufactured by the above sputtering or pyrolysis method since the iridium oxide coating film is formed under a high temperature or high vacuum environment, microscopic uniformity of the coating film and micropores formed during pyrolysis exist to penetrate the solution. There is a problem that the time is long and as a result the delayed response speed is shown.
  • Non-Patent Document 4 Patent Document 1
  • the above technique has a problem that the responsiveness of the electrode signal and the long time required for the surface equilibrium are slow, and the hysteresis of the rapid pH change is large. Since it is a method of mixing the ceramic powder and molding it and sintering at high temperature, manufacturing is difficult.
  • the hydrogen ion electrode is superior in physical stability and surface reproducibility as compared to the conventional glass electrode or polymer membrane electrode, but the manufacturing process is complicated by the addition of carbon black as a conductor.
  • the pH dependence of the polymer electrode for each lot produced a severe deviation in the range of 50 ⁇ 60 mV / pH depending on the electrode.
  • it shows a relatively high hysteresis of about 5 mV with respect to a sudden (large) pH change, and the measured pH due to repeated use shows a large error of about 0.1 pH unit.
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 776981
  • Non-Patent Document 1 A. Fog, R. P. Buck, Sensors and Actuators, 1984, 5, 137-146
  • Non-Patent Document 2 D. Midgly, Talanta, 1990, 37, 767-781
  • Non-Patent Document 3 P. Van Hooudt, Z. Lewandowski, B. Little, Biotech. Bioeng. 1992, 40, 601-608
  • Non-Patent Document 4 J. Park, J. Kim, H. Quan, Microchem. J. 2010, 95, 102-106
  • Non-Patent Document 5 H. Quan, W. Kim, K.-C. Chung, J. Park, Bull. Korean Chem. Soc. 2005, 26, 1565-1568.
  • the nano iridium particles on the surface of the electrode exposed to the solution as a pH electrode using the electrical conductivity of the nano-iridium oxide itself contained in the composite electrode without the help of carbon black as a conductor Not only is the pH response very fast and close to ideal (the pH dependence close to the theoretical value (-59.2 kW / pH)), the high reproducibility of the pH sensitivity, very low despite rapid (large) pH changes and repeated use
  • a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin exhibiting hysteresis, durability according to high physical strength, and high surface regeneration by polishing is provided.
  • a pH sensor comprising the hydrogen ion electrode.
  • nano-iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are in an individual particle state, or in an aggregate state in which the particles are aggregated, or in the individual particles and aggregates.
  • a hydrogen ion electrode dispersed in a mixed state wherein the nano iridium oxide particles are electrically connected in a matrix to enable surface regeneration of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, which enables electrical conduction of the hydrogen ion electrode. It provides a hydrogen ion electrode.
  • the nano iridium oxide particles of 1 to 10nm size are dispersed in individual particle states, and the individual particles are electrically connected to enable electric conduction of the hydrogen ion electrode.
  • the nano iridium oxide particles of the 1 ⁇ 10nm size are dispersed in the aggregated aggregate state, the aggregates of the nano iridium oxide particles are electrically connected to enable the electrical conduction of the hydrogen ion electrode.
  • the nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in a mixture of individual particle states and aggregated states, and the nano iridium oxide particles or aggregates are electrically connected in a matrix to form hydrogen ions. Enables electrical conduction of the electrode.
  • the hydrogen ion electrode is made of 20 to 45% by weight of the nano iridium oxide particles and 80% to 55% by weight of the polymer resin.
  • the hydrogen ion electrode may exhibit a hysteresis voltage of 1 to 2 mV due to a sharp (wide) pH change that increases the pH from 3 to 11 and then drops back to 3.
  • the polymer resin may be a polymer resin or a polymer resin mixture having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or more.
  • Exemplary embodiments of the invention also provide a pH sensor comprising a non-electrically conductive housing, the hydrogen ion electrode located within the housing and electrical contact means connected to the hydrogen ion electrode.
  • the housing is a cylindrical housing, there is an open portion on one side of the cylindrical housing to expose the electrode sensitive portion to the outside, the electrical contact means on the other side of the cylindrical housing It is connected to the outside of the housing.
  • a method of manufacturing the hydrogen ion electrode also includes a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin, a group consisting of nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm and aggregates in which the nano iridium oxide particles are aggregated.
  • It provides a method for producing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, characterized in that it comprises a step of manufacturing a hydrogen ion electrode by heating the composite material.
  • the manufacturing method further includes preparing the nano iridium oxide particles and / or aggregates, and using the nano iridium oxide particles and / or aggregates in a state of being dispersed in a water-soluble organic solvent. do.
  • the polymer resin in the preparing method, in the preparing a mixed solution, is dissolved in a water-soluble organic solvent to prepare a mixed solution, and then the nano iridium oxide particles and / or aggregates are added to the mixed solution. Can be mixed and dispersed.
  • the nano iridium oxide particles and / or aggregates are mixed with a water-soluble organic solvent and dispersed to prepare a mixed solution, and then the polymer resin is mixed with the mixed solution.
  • the solution can be mixed and dispersed.
  • the polymer resin in the preparation method, in the preparing a mixed solution, the polymer resin is dissolved in a water-soluble organic solvent to prepare a first mixed solution, and the nano iridium oxide particles and / or aggregates are water-soluble organic solvents.
  • a second mixed solution may be prepared by mixing and dispersing, and the first mixed solution and the second mixed solution may be mixed and dispersed.
  • the polymer resin used in the production method is a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin or polymer resin mixture having a glass transition temperature of 20 ° C. or higher, such as PMMA (polymethyl methacrylate) resin, PVC (Polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PVC Polyvinylchloride
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • the water-soluble organic solvent used in the preparation method may be acetone, THF (tetrahydrofuran), DMF (dimethylformamide) or DMSO (dimethylsulfoxide).
  • the composite material in the manufacturing method, may be pulverized to form a powder and then heat-molded.
  • the manufacturing method may polish the surface of the prepared hydrogen ion electrode.
  • the surface of the prepared hydrogen ion electrode may be polished and stabilized in water (eg, deionized water).
  • the manufacturing method may further comprise coupling the heat-formed hydrogen ion electrode into a non-electrically conductive housing and connecting electrical contact means to the hydrogen ion electrode.
  • the hydrogen ion electrode according to exemplary embodiments of the present invention not only makes the pH sensitization of nano iridium particles on the electrode surface exposed to the measurement sample solution very fast and close to ideal [theoretical value (-59.2 dl / pH) Close pH dependence (eg -59.6 or -59.7 mV / pH, correlation coefficient greater than 0.9999), high reproducibility (eg, 0.4-0.5% relative error), excellent surface reproducibility (eg, 0.4-0.5% relative error) Surface regeneration) and can exhibit very low hysteresis of 1-2 mV despite rapid (large) pH changes and repeated use.
  • the hydrogen ion electrode according to the exemplary embodiments of the present invention not only exhibits durability according to high physical strength, but also exhibits high surface regeneration as described above, the electrode surface reproducible by simple polishing upon contamination or deactivation Play is possible.
  • nano iridium oxide particles are dispersed (individual particles are dispersed and / or, without resorting to a complicated manufacturing method requiring a conductor such as conventional carbon black). It is possible to provide a method for producing the above-described hydrogen ion electrode in a very simple manufacturing process consisting of only a matrix of polymer composite material in which aggregates of particles are dispersed).
  • the hydrogen ion electrode polishes and regenerates the surface in a water quality monitoring system that monitors the concentration of hydrogen ions in a solution for a long time, an online measurement system, or a pH measurement of a sample that causes serious contamination of the sensor surface such as food, soil, waste, and biological samples. It can be useful while going.
  • FIG. 1 and 2 is a schematic diagram showing a pH sensor including a hydrogen ion electrode according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic perspective view of a pH sensor
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view.
  • FIG. 3 and 4 are transmission electron microscope (TEM) photographs showing nano iridium oxide particles or aggregates prepared in Examples of the present invention.
  • FIG. 3 shows aggregates with the scale bar sized at 10 nm
  • FIG. 4 shows individual particles in the aggregates with scale bars at 2 nm.
  • FIG. 5 is a graph showing the voltage change according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin in the embodiment of the present invention (reference electrode: Ag / AgCl).
  • the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
  • FIG. 6 is a graph showing the dependence of the electrode voltage on the pH change of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents pH and the Y axis represents potential (mV).
  • FIG. 7 is a graph showing the response time according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
  • FIG. 8 is a graph showing the reproducibility of a hydrogen ion response slope according to surface polishing of a hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents the measurement cycle
  • the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
  • Figure 9 is a graph showing the stability over time of the hydrogen ion response slope of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and polymer composite material in the embodiment of the present invention.
  • the X axis represents the measurement primary and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
  • the iridium oxide is an iridium oxide or a hydrated iridium oxide (IrO y or IrO y nH 2 O; for reference, where y corresponds to 2 in the bulk composition but is a nano oxide having a very small particle size and a very large surface area. In the case of, the value cannot be specified).
  • Nano iridium oxide herein includes nano iridium oxide particles or aggregates thereof.
  • the aggregate refers to the aggregation of nano iridium oxide particles to form a cohesive unit that is distinguished from each other.
  • Exemplary embodiments of the present invention are hydrogen ion electrodes in which nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix, wherein the nano iridium oxide particles are electrically connected in a matrix to form hydrogen ions.
  • a hydrogen ion electrode capable of surface regeneration made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin that enables electrical conduction of an electrode.
  • the surface reproducible hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin according to an exemplary embodiment of the present invention, nano-iridium having a size of 1 to 10 nm in a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix
  • the structure in which the nano-sized nano iridium oxide particles and / or their aggregates of 1 to 10 nm are dispersed to be electrically connected in the polymer matrix of the hydrogen ion electrode may provide a significant advantage in comparison with the conventional hydrogen ion electrodes. Turned out to be.
  • the hydrogen ion electrode exposed to the surface is contacted and connected in the polymer resin matrix to enable electrical conduction.
  • 1-10 nm nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof can be readily reacted to the sample solution (quickly reacting pH sensitive equilibrium with the sample solution). In addition, it can increase the reproducibility of immediate response and lower the hysteresis even in case of repeated use or rapid pH change.
  • the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are dispersed, substantially no pores exist so that penetration of the sample solution through the pores of the sample solution at the surface (the surface to be the electrode sensitive portion) is substantially achieved. While rarely occurring, the sample solution may be in rapid contact with the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof dispersed as described above.
  • nano iridium oxide particles of 1-10 nm size are dispersed in a matrix in individual particle states and are electrically contacted, connected (ie, forming a path of electrical conduction) to the electrical of the hydrogen ion electrode. You can make evangelism possible.
  • nano iridium oxide particles of 1-10 nm size may form aggregate units of nano iridium oxide particles, the aggregate units at least in part contacting and interconnecting (to form a path of electrical conduction) hydrogen Electrical conduction of the ion electrode can be enabled.
  • the nano iridium oxide aggregated unit in which the nano iridium oxide particles having the size of 1 to 10 nm are aggregated is dispersed in the polymer resin matrix, there is an advantage in that the electrode sensitive part may provide a large specific surface area to contact the sample solution.
  • the individual particle states and aggregates may be in a mixed state, and the particles and / or aggregates may be in contact with each other (to form a path of electrical conduction) to enable electrical conduction of a hydrogen ion electrode. It can be done.
  • the size of the nano iridium oxide particles of the composite material of exemplary embodiments of the present invention is 1-10 nm, or 2-2. 10 nm, or 2 to 5 nm, or 2 to 4 nm.
  • the size of the nano iridium oxide particles is smaller than 1nm, there is a difficulty in separation filtration (collection) of the nano iridium oxide particles, when larger than 10nm it is difficult to manufacture a composite electrode material and the electrode properties may be reduced.
  • the nano iridium oxide particles may have a size of 2 to 10 nm, or 2 to 5 nm, or 2 to 4 nm in terms of preparing nano iridium oxide particles and composite electrode materials and maintaining electrode characteristics.
  • the hydrogen ion electrode may be dispersed in the polymer resin in the nano iridium oxide aggregates, thereby increasing the pH from 3 to 11 and then dropping back to 3, such as rapid (large) pH change or repeated use. Nevertheless, it can show very low hysteresis of 1 ⁇ 2mV. This hysteresis characteristic is very excellent compared to the conventional iridium oxide coating electrode, iridium oxide and glass or ceramic composite electrode.
  • the hydrogen ion electrode may be made of 20 to 45% by weight of the nano-iridium oxide particles having a size of 1 ⁇ 10nm and 80 to 55% by weight of the polymer resin.
  • the nano iridium oxide weight can be measured through a method such as thermogravimetric analysis.
  • the electrical conductivity required by the hydrogen ion electrode may not appear, and when the content exceeds 45% by weight, the physical stability of the hydrogen ion electrode may be decreased. An increase may appear, which may cause a problem of desensitization.
  • the polymer resin is a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or higher that can be dissolved in a water-soluble organic solvent or a mixture of polymer resins having the above characteristics.
  • Such resins can be, for example, PMMA (polymethylmethacrylate) resins, PVC (polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof.
  • the resins will have a solid phase within the electrode operating temperature range below the glass transition temperature (T g ).
  • Exemplary embodiments of the invention also provide a pH sensor comprising a housing, the hydrogen ion electrode located within the housing and electrical contact means connected to the hydrogen ion electrode.
  • the hydrogen ion electrode contacts the sample to be measured to become an electrode sensitive portion. That is, the sensor may be dispersed in the moldable thermoplastic and hydrophobic polymer matrix so that the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are electrically connected to each other, thereby making the electrode sensitive portion a composite material which may have electrical conductivity. do.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams illustrating a pH sensor including a hydrogen ion electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic perspective view of a pH sensor
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view.
  • the hydrogen ion electrode 11 described above is formed into, for example, a cylindrical shape, and comes into contact with a sample on one surface to form an electrode sensitive portion.
  • the other side of the hydrogen ion electrode is connected to the electrical contact means 20 such as a conductive metal wire or a metal rod.
  • the electrical contact means 20 may be connected to the hydrogen ion electrode 11 through the conductive adhesive portion 12 made of silver paste or silver epoxy.
  • the hydrogen ion electrode can be mounted in a non-electrically conductive housing 30, for example plastic, to form a pH sensor.
  • the housing 30 has an open portion 31 formed at one side thereof, and the hydrogen ion electrode 11 serving as the electrode sensitive portion is exposed to the sample solution through the open portion 31.
  • a method of manufacturing the hydrogen ion electrode may also include a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin, nano-iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm, and / or aggregates and water-soluble organic particles of the nano-iridium oxide particles.
  • Preparing a mixed solution of a solvent Adding water to the mixed solution and removing a water-soluble organic solvent to obtain a composite material of a polymer resin and a nano iridium oxide; And forming a hydrogen ion electrode by heating the composite material to provide a method of manufacturing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin.
  • This manufacturing method can be molded and manufactured in various sizes and shapes at a low temperature compared to the pH electrode manufactured by conventional pyrolysis, sputtering, high temperature firing, etc., and also there is no addition and dispersion of carbon black as a conductor. It is very easy to manufacture and has the advantage of exhibiting improved pH sensitivity and reproducibility, low hysteresis and the like.
  • the prepared hydrogen ion electrode may have the electrical conductivity required for the pH electrode due to the electrical conductivity of the nano iridium oxide particles, even though it does not include carbon black as a conductor.
  • nano iridium oxide particles and / or aggregates of 1 to 10 nm in size used in exemplary embodiments of the present invention are synthesized by, for example, a synthesis method of reducing an iridium precursor, or distilled water into a commercial nano iridium oxide powder. It may be prepared by grinding and dispersing by adding ultrasonic waves.
  • thermoplastic and hydrophobic polymer resin should maintain physical strength at room temperature and be easy to manufacture.
  • a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or more or a mixture thereof may be used.
  • Such resins can be, for example, PMMA (polymethylmethacrylate) resins, PVC (polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof.
  • the resins will have a solid phase within the electrode operating temperature range below the glass transition temperature (T g ).
  • the water soluble organic solvent may be, for example, acetone, THF (tetrahydrofuran), DMF (dimethylformamide) or DMSO (dimethylsulfoxide).
  • non-conductive and inert fine powder such as titanium dioxide (TiO 2 ) may be further added in a range that does not impair the technical features of the present invention.
  • the polymer resin medium When preparing a mixed solution of the polymer resin, the prepared nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof and the water-soluble organic solvent, the polymer resin medium is dissolved in a water-soluble organic solvent and uniformly dispersed to prepare a mixed solution, and then nano Iridium oxide particles and / or aggregates thereof can be mixed and evenly dispersed in the mixed solution.
  • nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with a water-soluble organic solvent and evenly dispersed to prepare a mixed solution, and then the polymer resin is mixed into the mixed solution and nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with the polymer. It can be dispersed evenly in the resin medium.
  • a first mixed solution obtained by dissolving the polymer resin in a water-soluble organic solvent is prepared and uniformly dispersed
  • a second mixed solution in which the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with a water-soluble organic solvent and dispersed is prepared and evenly distributed.
  • the first mixed solution and the second mixed solution may be mixed and the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof may be evenly dispersed in the polymer resin medium.
  • the composite material is molded by pressurizing heating to prepare nano iridium oxide and a polymer resin composite hydrogen ion electrode material having electrical conductivity.
  • the pressurized heating molding is preferably made at a temperature below the thermal decomposition temperature of the medium polymer to be used.
  • the composite material may be pulverized to form a powder and then heat-molded.
  • the surface of the prepared hydrogen ion electrode may be polished, and may also be stabilized in deionized water after polishing.
  • a hydrogen ion electrode made of the composite material by encapsulating the composite material hydrogen ion electrode material of the nano-iridium oxide and the polymer resin manufactured as described above at one end of a non-conductive housing such as a non-conductive cylindrical plastic having an inner diameter of the electrode material or larger.
  • a contact portion 12 made of conductive silver paste or silver epoxy may be further included between the hydrogen ion electrode 11 and the electrical contact means 20 (see FIGS. 1 and 2).
  • the composite material hydrogen ion electrode material is molded and encapsulated inside one end of the nonconductive plastic housing by a heat forming method, and polished to form an electrode sensitive portion made of the composite material hydrogen ion electrode material, and the electrical contact to the other. After drilling a hole for the conductive silver paste or silver epoxy using a conductive metal wire or rod to make electrical contact with the sensitive part may be connected to the measuring device on the other side.
  • the solution turns from a brown to dark blue solution containing precipitated suspension. While measuring pH again, 0.1M NaOH was added to adjust the pH to 8-9, and then heated at 95 ° C. for 30 minutes, and then cooled to room temperature.
  • the pH of the solution no longer changes from 8 to 9, and the 1-10 nm nano iridium oxide particles and / or aggregates formed in the solution are collected, washed and again dispersed in acetone.
  • FIG. 3 and 4 are transmission electron microscope (TEM) photographs showing aggregates in which nano iridium oxide particles prepared in Examples of the present invention are aggregated.
  • FIG. 3 shows the size of the scale bar at 10 nm
  • FIG. 4 is an enlarged picture of the scale bar at 2 nm.
  • nano iridium oxide particles may be prepared by the following method.
  • distilled water 50 ml of distilled water is added to 1 g of commercial nano iridium oxide powder, which is ground and dispersed using ultrasonic waves.
  • 300 ml of deionized water is added to the pulverized nano iridium oxide, and the iridium oxide is dispersed using an ultrasonic wave and a magnetic stirrer.
  • the dispersion in which the nano iridium oxide is dispersed is divided into a centrifuge tube and rotated at 3000 rpm for 15 minutes to sink the nano iridium oxide, and then the supernatant is removed to recover the nano iridium oxide, washed, and dispersed in acetone.
  • a water-soluble organic solvent such as THF, DMF, DMSO, or the like may be used instead of acetone depending on the solubility of the polymer.
  • the PMMA resin is placed in a glass container, acetone is added, a small magnetic paddle bar is sealed, sealed and stirred well with a magnetic paddle to completely dissolve the polymer resin to prepare a polymer solution having a weight ratio of 25% (first mixed solution preparation).
  • Acetone is added to the nano iridium oxide prepared in the previous example to add a volume ratio of about 1: 3 and evenly dispersed (preparation of a second mixed solution).
  • the nano iridium oxide is completely dispersed in the polymer solution using an eccentric stirrer. Mix until
  • the water-soluble solvent acetone is removed from the polymer mixture in which the nano iridium oxide is dispersed and precipitated as a solid to form a composite material composed of the nano iridium oxide and the polymer resin. .
  • the composite material thus extracted is dried and ground using a grinder to form a powder.
  • the prepared nano-iridium oxide-PMMA polymer composite powder was placed in a mold having a diameter of 2 to 4 mm, and heated and pressed at 150 ° C. to form a nano-iridium oxide-polymer composite having a weak electrical conductivity of about 3 to 4 mm in length.
  • Materials Hydrogen ion electrode materials are prepared.
  • the nano-iridium oxide-polymer composite material manufactured by molding is encapsulated at one end of a non-conductive cylindrical plastic having an inner diameter corresponding to the diameter of the electrode material to form the nano-iridium oxide-polymer composite electrode sensitive portion, and the conductive silver paste is coated. Insert metal wire or rod to make electrical contact, and fix the entrance of the group with adhesive.
  • the electrode sensitive surface is ground finely with 2000 grit SiC sandpaper and then finally polished with 0.3 micron alumina abrasive. The electrode polished surface of the sensitive part is stabilized by immersing it in deionized water.
  • the response characteristic of the hydrogen ion electrode (denoted by electrode # 29: containing 37% of nano iridium oxide as a result of thermogravimetric analysis) composed of the composite material of the nano iridium oxide and the polymer resin prepared above was measured.
  • the potential was measured with respect to the Ag / AgCl (3.0 M KCl) reference electrode, and the results are shown in FIG. 2. At this time, the pH was increased to pH 11, and then nitric acid was added again to change the pH to 3 repeatedly.
  • FIG. 5 is a graph showing the voltage change according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin in the embodiment of the present invention (reference electrode: Ag / AgCl).
  • the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
  • FIG. 6 is a graph showing the dependence of the electrode voltage on the pH change of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents pH and the Y axis represents potential (mV).
  • the nano-iridium oxide-polymer modified composite hydrogen ion electrode according to the exemplary embodiments of the present invention showed a slope of ⁇ 59.7 mV / pH unit and was found to be very close to the theoretical value of ⁇ 59.2 mV / pH unit.
  • FIG. 7 is a graph showing the response time according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
  • the response characteristic of the electrode signal is calculated as ⁇ 90 , when the electrode potential reaches 90% of the stable potential value, but in the case of the response characterization experiment of this embodiment, the mixture of 0.1 M HCl solution or 0.1 M NaOH solution is added.
  • ⁇ 90 was impossible to estimate because it showed a faster response than the time required. This is because the pH electrode of embodiments of the present invention exhibits immediate sensitivity.
  • the surface of the prepared electrode (denoted by electrode # 29: thermogravimetric analysis contains 37% of nano iridium oxide) was polished with 2000 grit SiC sandpaper, and then polished with 0.3 micrometer alumina abrasive. After immersing and stabilizing one electrode in deionized water, the measurement of the pH sensitivity change of the electrode by polishing was repeated 8 times after the polishing process for measuring the sensitivity of the electrode in pH 4, 7, 10 solution. Indicated.
  • FIG. 8 is a graph showing the reproducibility of a hydrogen ion response slope according to surface polishing of a hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention.
  • the X axis represents the measurement cycle
  • the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
  • the average slope (pH / pH unit) of the pH sensitivity was -58.12 mW / pH unit, and showed an excellent relative standard deviation (rsd) of 0.5%.
  • Figure 9 is a graph showing the stability over time of the hydrogen ion response slope of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and polymer composite material in the embodiment of the present invention.
  • the X axis represents the measurement primary and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
  • Fig. 9 the electrode sensitivity at pH 4, 7,10 is repeatedly measured over 26 days and the electrode sensitivity calculated from the results is also shown. The electrode was measured daily and stored in distilled water.
  • the average slope of the electrode sensitivity was -58.44 mV / pH, and the relative standard deviation was 0.91%, indicating that the sensitivity was reproducible over a long period of time.
  • a composite hydrogen ion electrode 1 month after initial use (marked as electrode # 29: containing 37% of nano iridium oxide as a result of thermogravimetric analysis) was used for 20 times at pH 4, 7, and 10 buffers.
  • the average value of the pH response slope calculated from the measured value was -58.69 mV / pH unit, and the relative standard deviation of the slope (rsd) was 0.44%, and the reproducible pH sensitivity was confirmed.
  • the nano-iridium oxide aggregate is dispersed in the polymer resin matrix described above, so that the pH response of the electrode surface exposed to the measurement sample solution may be very fast and close to the ideal.
  • it has a high reproducibility with such a fast and near ideal sensitivity, and may exhibit very low hysteresis of 1 to 2 mV despite rapid pH change and repeated use.
  • it can exhibit not only durability due to high physical strength, but also high surface regeneration by polishing, and reproducible electrode surface can be reproduced by simple polishing in case of contamination or deactivation. The lifetime of the hydrogen ion electrode can be significantly extended.
  • the present invention relates to a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin and capable of surface regeneration by surface polishing, a pH sensor using the same, and a manufacturing method thereof.
  • the hydrogen ion electrode polishes and regenerates the surface in a water quality monitoring system that monitors the concentration of hydrogen ions in a solution for a long time, or in an online measurement system, or in a pH measurement of a sample that causes severe contamination of the sensor surface such as food, soil, waste, and biological samples It can be useful while going.

Abstract

Provided are a hydrogen ion electrode composed of a composite material of polymer resin and nano iridium oxide, the composite material containing 1-10 nm sized nano iridium oxide particles and/or aggregates thereof which are dispersed to be electrically connected to each other in a moldable, thermoplastic, and hydrophobic polymer resin matrix; a pH sensor using the same; and a method for manufacturing the same. The surface of the hydrogen ion electrode shows very fast pH sensitivity when exposed to a sample solution, and the pH sensitivity is approximate to biphasic characteristics. Furthermore, regardless of high reproducibility of pH sensitivity, abrupt pH change, and repetitive use, very low hysteria, durability due to high physical strength, and high surface regeneration due to polishing are exhibited, and thus, the lifetime of the electrode can be extended and various sizes and shapes of electrodes can be easily manufactured.

Description

나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 표면 재생 가능한 수소 이온 전극, 이를 이용하는 PH 센서 및 그 제조방법Surface reproducible hydrogen ion electrode composed of composite material of nano iridium oxide and polymer resin, PH sensor using same and method for manufacturing same
본 명세서는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지고 표면 연마에 의해 표면 재생이 가능한 수소 이온 전극, 이를 이용하는 pH 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present specification relates to a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin and capable of surface regeneration by surface polishing, a pH sensor using the same, and a method of manufacturing the same.
환경, 식품, 의료, 의약 등 여러 분야에서 기초적인 분석 항목 중 하나로 pH가 사용되고 있으며, 이를 측정하기 위하여 pH 센서가 이용되고 있다.PH is used as one of basic analysis items in various fields such as environment, food, medicine and medicine, and a pH sensor is used to measure this.
종래 pH 센서로서 통상적으로 pH 선택 유리막 전극이 사용되어 왔다. 그러나, 이 전극은 깨지기 쉽고, 오염(fouling) 시 활성화가 어려운 문제점이 있다. Conventionally, a pH selective glass film electrode has been used as a pH sensor. However, this electrode is fragile and difficult to activate when fouling.
즉, 예컨대 장기간에 걸친 수질 감시 시스템과 같이, 센서가 장기적으로 환경 시료에 노출되는 경우, 또는 토양분석, 식품공정 등에서와 같이 시료의 성상 자체가 센서의 표면 오염을 심각하게 유발할 수 있는 경우, 이로 인한 pH 센서의 비활성화 문제는 물론 심각한 오염(fouling)의 문제점이 있다. 이에 따라, 주기적으로 센서를 교체하거나 활성화시켜야 하는 문제가 있다.That is, for example, if the sensor is exposed to environmental samples in the long term, such as for long term water quality monitoring systems, or if the properties of the sample itself can seriously cause surface contamination of the sensor, such as in soil analysis, food processing, etc. There is a problem of serious fouling, as well as the problem of deactivation of the pH sensor. Accordingly, there is a problem that the sensor must be replaced or activated periodically.
금속 전극 표면에 형성시킨 금속 산화물 막들은 이들 산화물들의 산화환원반응 전위가 수소이온 농도에 의존하기 때문에 수소 이온 농도 측정에 사용될 수 있다. 이러한 금속 산화물로는 TiO2, RuO2, RhO2, SnO2, Ta2O5, OsO2, PdO2, PtO2 또는 IrO2 등이 있다(비특허 문헌 1).Metal oxide films formed on the metal electrode surface can be used for hydrogen ion concentration measurement because the redox potential of these oxides depends on the hydrogen ion concentration. Such metal oxides include TiO 2 , RuO 2 , RhO 2 , SnO 2 , Ta 2 O 5 , OsO 2 , PdO 2 , PtO 2 or IrO 2 (Non-Patent Document 1).
금속 산화물을 활용한 수소 이온 선택 전극들에서는 대부분 금속산화물의 가역적 산화-환원반응 전위가 수소 이온 농도에 의존한다. 이들 금속 산화물막 pH 전극의 제조에는 스퍼터링 (Sputtering)법, 고온 열분해법 또는 금속선의 전기화학적 산화법 등이 적용되고 있다. In hydrogen ion selective electrodes utilizing metal oxides, the reversible redox potential of the metal oxide is mostly dependent on the hydrogen ion concentration. The sputtering method, high temperature pyrolysis method, electrochemical oxidation method of metal wire, etc. are applied to manufacture these metal oxide film pH electrodes.
대표적인 전기화학적 기법으로는 예컨대 이리듐(Ir) 금속 전극을 황산용액에 담그고, 전극의 전위를 -0.25V 에서 +1.25V (vs. SCE) 사이를 순회시키면서 전극의 이리듐을 이리듐(IV) 산화물로 산화시켜 가는 방법이다. 금속전극의 표면에 형성된 이리듐 산화물은 수화된 이리듐 산화물로서, IrO2·4H2O, Ir(OH)4·2H2O, [IrO2(OH)2·2H2O]2- 등의 형태를 나타내며, 약 -90 ㎷/pH unit의 super-Nerntian 응답성을 나타내는 것으로 알려져 있다(비특허문헌 2).Typical electrochemical techniques include iridium (Ir) metal electrodes immersed in sulfuric acid solution, for example, oxidizing the electrode's iridium to iridium (IV) oxide while traversing the electrode potential between -0.25V and + 1.25V (vs. SCE). It's the way to go. Iridium oxide formed on the surface of the metal electrode is a hydrated iridium oxide, IrO 2 · 4H 2 O, Ir (OH) 4 · 2H 2 O, [IrO 2 (OH) 2 · 2H 2 O] 2- and the like. It is known to exhibit super-Nerntian responsiveness of about -90 dB / pH unit (Non-Patent Document 2).
또한, 백금이나 이리듐 또는 전도성 금속 전극의 표면에 스퍼터링이나 열분해법을 사용하여 제조한 이리듐 산화물 막 전극의 경우는, 표면의 이리듐 산화물이 무수물 (anhydrous) 이리듐 산화물인 것으로 알려져 있으며, 수소 이온 농도에 대하여 약 -59 ㎷/pH의 감응을 나타낸다(비특허문헌 3). In the case of the iridium oxide film electrode manufactured by sputtering or pyrolysis method on the surface of platinum, iridium, or a conductive metal electrode, it is known that the surface iridium oxide is anhydrous iridium oxide. A sensitivity of about −59 μs / pH is shown (Non-Patent Document 3).
상기의 스퍼터링 또는 열분해법에 의하여 제조된 이리듐 산화물 코팅막 전극의 경우, 고온 또는 고진공 환경 하에서 이리듐 산화물 코팅막을 형성시키기 때문에, 코팅막의 미시적인 균일성 문제와 열분해 시 형성되는 미세 기공들이 존재함으로써 용액의 침투시간이 길어지고 그 결과 지연된 감응속도를 나타내는 문제점이 있다. In the case of the iridium oxide coating film electrode manufactured by the above sputtering or pyrolysis method, since the iridium oxide coating film is formed under a high temperature or high vacuum environment, microscopic uniformity of the coating film and micropores formed during pyrolysis exist to penetrate the solution. There is a problem that the time is long and as a result the delayed response speed is shown.
또한, 측정 용액 교환 시 용액의 완전 교환이 신속히 이루어지기 어려워 감응 시간 지연은 물론 재현성의 부족 등의 문제점을 가지며 이론적 감응 기울기(-59.2mV/pH)에서 크게 벗어나는 문제점을 나타내기도 한다. 또한, 표면이 오염되거나 전극의 감응도가 저하되었을 경우 전극 특성의 재생을 위한 효과적인 조치가 어려워 전극 수명이 단축되는 문제점을 지닌다.In addition, it is difficult to perform a complete exchange of the solution quickly when the measurement solution is exchanged, there is a problem such as a delay in the response time as well as a lack of reproducibility, and also shows a problem that greatly deviates from the theoretical response slope (-59.2mV / pH). In addition, when the surface is contaminated or the sensitivity of the electrode is lowered, it is difficult to take effective measures for regeneration of the electrode characteristics, thereby reducing the electrode life.
최근, 전도성 금속 미세입자 혼합물을 유리나 세라믹 분말에 혼합하고 이를 성형한 후 고온에서 소결시킨 변성 유리 또는 세라믹 복합재료 전극이 발표되었다(비특허문헌 4, 특허문헌 1) Recently, a modified glass or ceramic composite electrode has been disclosed, in which a conductive metal fine particle mixture is mixed with glass or ceramic powder, molded and sintered at high temperature (Non-Patent Document 4, Patent Document 1).
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 위 기술은 전극신호의 재현성이 부족하고 표면의 감응평형에 필요한 시간이 길어 감응속도가 느리고 급격한 pH 변화에 대한 히스테리시스(hysterisis)가 크다는 문제점을 지니며, 유리나 세라믹 분말에 혼합하고 이를 성형한 후 고온에서 소결시키는 방법이므로 제조가 어렵다는 단점이 있다. However, according to the research results of the present inventors, the above technique has a problem that the responsiveness of the electrode signal and the long time required for the surface equilibrium are slow, and the hysteresis of the rapid pH change is large. Since it is a method of mixing the ceramic powder and molding it and sintering at high temperature, manufacturing is difficult.
한편, 바인더 고분자 수지로 카본 블랙과 마이크로 이리듐 산화물 입자들을 결합시킨 수소 이온 전극이 발표되었다(비특허문헌 5).On the other hand, the hydrogen ion electrode which couple | bonded carbon black and micro iridium oxide particle | grains with the binder polymer resin was published (nonpatent literature 5).
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 상기의 수소 이온 전극은 기존의 유리전극이나 고분자막 전극에 비하여 물리적 안정성, 표면 재생성이 우수하지만, 도전체인 카본블랙의 첨가를 필요로 하여 제조 과정이 복잡하다. 또한, 제조 롯트(lot) 마다 고분자 전극의 pH 의존성이 전극에 따라 50~60 mV/pH의 범위에서 심한 편차를 보이는 문제점이 있다. 또한 급격한(큰 폭의) pH 변화에 대해 5mV 정도의 비교적 높은 히스테리시스(hysterisis)를 나타내고 반복 사용에 따른 측정 pH가 0.1 pH 단위 정도의 큰 오차를 나타내는 문제점을 지닌다. However, according to the research results of the present inventors, the hydrogen ion electrode is superior in physical stability and surface reproducibility as compared to the conventional glass electrode or polymer membrane electrode, but the manufacturing process is complicated by the addition of carbon black as a conductor. In addition, there is a problem in that the pH dependence of the polymer electrode for each lot produced a severe deviation in the range of 50 ~ 60 mV / pH depending on the electrode. In addition, there is a problem in that it shows a relatively high hysteresis of about 5 mV with respect to a sudden (large) pH change, and the measured pH due to repeated use shows a large error of about 0.1 pH unit.
[선행기술문헌][Preceding technical literature]
[특허문헌][Patent Documents]
(특허문헌1) : 한국특허 제776981호(Patent Document 1): Korean Patent No. 776981
[비특허문헌][Non-Patent Documents]
(비특허문헌 1) : A. Fog, R. P. Buck, Sensors and Actuators, 1984, 5, 137-146(Non-Patent Document 1): A. Fog, R. P. Buck, Sensors and Actuators, 1984, 5, 137-146
(비특허문헌 2) : D. Midgly, Talanta, 1990, 37, 767-781(Non-Patent Document 2): D. Midgly, Talanta, 1990, 37, 767-781
(비특허문헌 3) : P. VanHoudt, Z. Lewandowski, B. Little, Biotech. Bioeng. 1992, 40, 601-608(Non-Patent Document 3): P. Van Hooudt, Z. Lewandowski, B. Little, Biotech. Bioeng. 1992, 40, 601-608
(비특허문헌 4) : J. Park, J. Kim, H. Quan, Microchem. J. 2010, 95, 102-106(Non-Patent Document 4): J. Park, J. Kim, H. Quan, Microchem. J. 2010, 95, 102-106
(비특허문헌 5) : H. Quan, W. Kim, K.-C. Chung, J. Park, Bull. Korean Chem. Soc. 2005, 26, 1565-1568.(Non-Patent Document 5): H. Quan, W. Kim, K.-C. Chung, J. Park, Bull. Korean Chem. Soc. 2005, 26, 1565-1568.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 일측면에서, 도전체인 카본블랙의 도움없이 복합 재료 전극에 함유되는 나노 이리듐 산화물 자체의 전기전도성을 이용한 pH 전극으로서 용액에 노출되는 전극표면의 나노 이리듐 입자들의 pH 감응이 매우 빠르고 이상성에 가깝게 이루어질 뿐만 아니라[이론값 (-59.2 ㎷/pH)에 근접한 pH 의존성], 상기 pH 감응성의 높은 재현성, 급격한(큰 폭의) pH 변화 및 반복 사용에도 불구하고 매우 낮은 히스테리스, 높은 물리적 강도에 따른 내구성, 연마에 의한 높은 표면 재생성을 나타내는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극을 제공하고자 한다. In exemplary embodiments of the present invention, in one aspect, the nano iridium particles on the surface of the electrode exposed to the solution as a pH electrode using the electrical conductivity of the nano-iridium oxide itself contained in the composite electrode without the help of carbon black as a conductor Not only is the pH response very fast and close to ideal (the pH dependence close to the theoretical value (-59.2 kW / pH)), the high reproducibility of the pH sensitivity, very low despite rapid (large) pH changes and repeated use A hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin exhibiting hysteresis, durability according to high physical strength, and high surface regeneration by polishing is provided.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 또한 상기 수소 이온 전극을 포함하는 pH 센서를 제공하고자 한다.In exemplary embodiments of the present invention, in another aspect, it is also provided to provide a pH sensor comprising the hydrogen ion electrode.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또 다른 일측면에서, 종래의 복잡한 제조 방법들과 달리 매우 간단한 제조 공정으로 상기한 수소 이온 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.In another aspect of the present invention, in another aspect, to provide a method for producing the above-described hydrogen ion electrode in a very simple manufacturing process, unlike conventional complex manufacturing methods.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지 매트릭스에 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 개개의 입자 상태, 또는 상기 입자들이 응집된 응집체 상태, 또는 상기 개개의 입자 및 응집체가 혼재된 상태로 분산되어 있는 수소 이온 전극으로서, 상기 나노 이리듐 산화물 입자들은 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생이 가능한 수소 이온 전극을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, in the moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix, nano-iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are in an individual particle state, or in an aggregate state in which the particles are aggregated, or in the individual particles and aggregates. Is a hydrogen ion electrode dispersed in a mixed state, wherein the nano iridium oxide particles are electrically connected in a matrix to enable surface regeneration of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, which enables electrical conduction of the hydrogen ion electrode. It provides a hydrogen ion electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 개개의 입자 상태로 분산되어 있고, 상기 개개의 입자들이 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 한다. In an exemplary embodiment, the nano iridium oxide particles of 1 to 10nm size are dispersed in individual particle states, and the individual particles are electrically connected to enable electric conduction of the hydrogen ion electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 응집된 응집체 상태로 분산되어 있고, 상기 나노 이리듐 산화물 입자들의 응집체들이 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 한다.In an exemplary embodiment, the nano iridium oxide particles of the 1 ~ 10nm size are dispersed in the aggregated aggregate state, the aggregates of the nano iridium oxide particles are electrically connected to enable the electrical conduction of the hydrogen ion electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들은 개개의 입자 상태 및 응집된 상태가 혼재되어 분산되어 있고, 상기 나노 이리듐 산화물 입자들 또는 응집체들이 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 한다. In an exemplary embodiment, the nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in a mixture of individual particle states and aggregated states, and the nano iridium oxide particles or aggregates are electrically connected in a matrix to form hydrogen ions. Enables electrical conduction of the electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 수소 이온 전극은 상기 나노 이리듐 산화물 입자 20 내지 45중량% 및 상기 고분자 수지 80 중량% 내지 55 중량%로 이루어진다. In an exemplary embodiment, the hydrogen ion electrode is made of 20 to 45% by weight of the nano iridium oxide particles and 80% to 55% by weight of the polymer resin.
예시적인 일 구현예에서, 상기 수소 이온 전극은 pH를 3에서 11로 높인 후 다시 3으로 떨어뜨리는 급격한(큰 폭의) pH 변화에 따른 히스테리시스 전압이 1~2mV를 나타낼 수 있다. In an exemplary embodiment, the hydrogen ion electrode may exhibit a hysteresis voltage of 1 to 2 mV due to a sharp (wide) pH change that increases the pH from 3 to 11 and then drops back to 3.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자 수지는 유리전이온도(Tg)가 20℃ 이상인 고분자 수지 또는 고분자 수지 혼합물일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer resin may be a polymer resin or a polymer resin mixture having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or more.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 비 전기 전도성 하우징, 상기 하우징 내에 위치하는 상기 수소 이온 전극 및 상기 수소 이온 전극에 연결된 전기적 접촉 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서를 제공한다.Exemplary embodiments of the invention also provide a pH sensor comprising a non-electrically conductive housing, the hydrogen ion electrode located within the housing and electrical contact means connected to the hydrogen ion electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 하우징은 원통 형상의 하우징이고, 상기 원통 형상 하우징의 일측에는 상기 전극 감응부를 외부로 노출하는 오픈 부위가 존재하고, 상기 원통 형상 하우징의 다른 일측에서 상기 전기적 접촉 수단이 상기 하우징 외부로 연결된다. In one exemplary embodiment, the housing is a cylindrical housing, there is an open portion on one side of the cylindrical housing to expose the electrode sensitive portion to the outside, the electrical contact means on the other side of the cylindrical housing It is connected to the outside of the housing.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 수소 이온 전극의 제조 방법으로서, 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자 및 상기 나노 이리듐 산화물 입자가 응집된 응집체로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상 및 수용성 유기 용매의 혼합 용액을 제조하는 단계; In exemplary embodiments of the present invention, a method of manufacturing the hydrogen ion electrode also includes a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin, a group consisting of nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm and aggregates in which the nano iridium oxide particles are aggregated. Preparing a mixed solution of at least one and a water-soluble organic solvent selected from;
상기 혼합 용액에 물을 가하고 수용성 유기 용매를 제거하여 고분자 수지와 나노 이리듐 산화물의 복합 재료를 얻는 단계; 및 Adding water to the mixed solution and removing a water-soluble organic solvent to obtain a composite material of a polymer resin and a nano iridium oxide; And
상기 복합 재료를 가열 성형하여 수소 이온 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, characterized in that it comprises a step of manufacturing a hydrogen ion electrode by heating the composite material.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법은, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체를 준비하는 단계를 더 포함하고, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체로서 수용성 유기 용매에 분산된 상태의 것을 사용한다. In an exemplary embodiment, the manufacturing method further includes preparing the nano iridium oxide particles and / or aggregates, and using the nano iridium oxide particles and / or aggregates in a state of being dispersed in a water-soluble organic solvent. do.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법은, 상기 혼합 용액 제조 단계에서, 상기 고분자 수지를 수용성 유기 용매에 용해하여 혼합 용액을 제조한 후, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체를 상기 혼합 용액에 혼합하고 분산할 수 있다.In an exemplary embodiment, in the preparing method, in the preparing a mixed solution, the polymer resin is dissolved in a water-soluble organic solvent to prepare a mixed solution, and then the nano iridium oxide particles and / or aggregates are added to the mixed solution. Can be mixed and dispersed.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법은, 상기 혼합 용액 제조 단계에서, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체를 수용성 유기 용매와 혼합하고 분산하여 혼합 용액을 제조한 후, 상기 고분자 수지를 상기 혼합 용액에 혼합하고 분산할 수 있다.In an exemplary embodiment, in the preparing method, in the preparing a mixed solution, the nano iridium oxide particles and / or aggregates are mixed with a water-soluble organic solvent and dispersed to prepare a mixed solution, and then the polymer resin is mixed with the mixed solution. The solution can be mixed and dispersed.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법은, 상기 혼합 용액 제조 단계에서, 상기 고분자 수지를 수용성 유기 용매에 용해하여 제1 혼합 용액을 제조하고, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체를 수용성 유기 용매와 혼합하고 분산하여 제2 혼합 용액을 제조하며, 제 1 혼합 용액 및 제 2 혼합 용액을 혼합하고 분산할 수 있다.In an exemplary embodiment, in the preparation method, in the preparing a mixed solution, the polymer resin is dissolved in a water-soluble organic solvent to prepare a first mixed solution, and the nano iridium oxide particles and / or aggregates are water-soluble organic solvents. And a second mixed solution may be prepared by mixing and dispersing, and the first mixed solution and the second mixed solution may be mixed and dispersed.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법에서 사용되는 고분자 수지는, 유리 전이 온도가 20℃ 이상인 성형 가능한 열가소성 및 소수성의 고분자 수지 또는 고분자 수지 혼합물로서, 예컨대 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트) 수지, PVC(폴리비닐클로라이드) 수지 또는 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌) 수지 또는 이들의 혼합물일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer resin used in the production method is a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin or polymer resin mixture having a glass transition temperature of 20 ° C. or higher, such as PMMA (polymethyl methacrylate) resin, PVC (Polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법에서 사용되는 수용성 유기 용매는 아세톤(acetone), THF(테트라하이드로퓨란), DMF(디메틸포름아미드) 또는 DMSO(디메틸술폭사이드)일 수 있다.In an exemplary embodiment, the water-soluble organic solvent used in the preparation method may be acetone, THF (tetrahydrofuran), DMF (dimethylformamide) or DMSO (dimethylsulfoxide).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법에서는 상기 복합 재료를 분쇄하여 분말을 만든 후 가열 성형할 수 있다.In an exemplary embodiment, in the manufacturing method, the composite material may be pulverized to form a powder and then heat-molded.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법에서는 상기 제조된 수소 이온 전극의 표면을 연마할 수 있다.In an exemplary embodiment, the manufacturing method may polish the surface of the prepared hydrogen ion electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조 방법에서는 상기 제조된 수소 이온 전극의 표면을 연마하고 물(예컨대 탈이온수)에서 안정화할 수 있다.In an exemplary embodiment, in the preparation method, the surface of the prepared hydrogen ion electrode may be polished and stabilized in water (eg, deionized water).
예시적인 일 구현예에서, 상기 상기 제조 방법은, 상기 가열 성형된 수소 이온 전극을 비 전기 전도성 하우징 내에 결합하고, 상기 수소 이온 전극에 전기적 접촉 수단을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the manufacturing method may further comprise coupling the heat-formed hydrogen ion electrode into a non-electrically conductive housing and connecting electrical contact means to the hydrogen ion electrode.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 수소 이온 전극은, 측정 시료 용액에 노출되는 전극 표면의 나노 이리듐 입자들의 pH 감응이 매우 빠르고 이상성에 가깝게 이루어질 뿐만 아니라[이론값 (-59.2 ㎷/pH)에 근접한 pH 의존성(예컨대 -59.6 또는 -59.7 mV/pH, 0.9999 이상의 상관계수)], 높은 재현성(에컨대, 0.4~0.5% 상대오차의 재현성), 우수한 표면 재생성(예컨대, 0.4~0.5% 상대오차의 표면재생성)을 가지며, 급격한(큰 폭의) pH 변화 및 반복 사용에도 불구하고 1~2mV의 매우 낮은 히스테리스를 나타낼 수 있다. The hydrogen ion electrode according to exemplary embodiments of the present invention not only makes the pH sensitization of nano iridium particles on the electrode surface exposed to the measurement sample solution very fast and close to ideal [theoretical value (-59.2 dl / pH) Close pH dependence (eg -59.6 or -59.7 mV / pH, correlation coefficient greater than 0.9999), high reproducibility (eg, 0.4-0.5% relative error), excellent surface reproducibility (eg, 0.4-0.5% relative error) Surface regeneration) and can exhibit very low hysteresis of 1-2 mV despite rapid (large) pH changes and repeated use.
또한, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 수소 이온 전극은, 높은 물리적 강도에 따른 내구성을 나타낼 뿐만 아니라, 전술한 것처럼 높은 표면 재생성 나타낼 수 있기 때문에 오염이나 비활성화 시 간단한 연마에 의하여 재현성 있는 전극 표면의 재생이 가능하다.In addition, since the hydrogen ion electrode according to the exemplary embodiments of the present invention not only exhibits durability according to high physical strength, but also exhibits high surface regeneration as described above, the electrode surface reproducible by simple polishing upon contamination or deactivation Play is possible.
또한, 본 발명의 예시적인 구현예들의 제조 방법에 의하면, 종래의 카본블랙과 같은 도전체를 필요로 하는 복잡한 제조 방법에 의하지 않고, 나노 이리듐 산화물 입자가 분산(개개의 입자가 분산되거나 및/또는 입자의 응집체들이 분산)된 고분자 복합재료 매트릭스로만 이루어져 매우 간단한 제조 공정으로 상기한 수소 이온 전극을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of exemplary embodiments of the present invention, nano iridium oxide particles are dispersed (individual particles are dispersed and / or, without resorting to a complicated manufacturing method requiring a conductor such as conventional carbon black). It is possible to provide a method for producing the above-described hydrogen ion electrode in a very simple manufacturing process consisting of only a matrix of polymer composite material in which aggregates of particles are dispersed).
상기 수소 이온 전극은 장시간 용액의 수소 이온 농도를 감시하는 수질 감시 시스템이나 온라인 측정시스템, 식품, 토양, 폐기물, 생체시료 등과 같은 센서 표면의 심각한 오염을 초래하는 시료의 pH 측정 등에 표면을 연마 재생해 가면서 유용하게 사용될 수 있다.The hydrogen ion electrode polishes and regenerates the surface in a water quality monitoring system that monitors the concentration of hydrogen ions in a solution for a long time, an online measurement system, or a pH measurement of a sample that causes serious contamination of the sensor surface such as food, soil, waste, and biological samples. It can be useful while going.
도 1 및 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 이온 전극을 포함하는 pH 센서를 나타내는 개략도이다. 도 1은 pH 센서의 개략적인 사시도이고, 도 2는 개략적인 단면도이다. 1 and 2 is a schematic diagram showing a pH sensor including a hydrogen ion electrode according to an embodiment of the present invention. 1 is a schematic perspective view of a pH sensor, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에서 제조한 나노 이리듐 산화물 입자 또는 응집체를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 3은 스케일 바의 크기를 10nm로 한 것으로서 응집체를 보여주며, 도 4는 스케일 바가 2nm로 응집체 중의 개개의 입자를 보여준다.3 and 4 are transmission electron microscope (TEM) photographs showing nano iridium oxide particles or aggregates prepared in Examples of the present invention. FIG. 3 shows aggregates with the scale bar sized at 10 nm, and FIG. 4 shows individual particles in the aggregates with scale bars at 2 nm.
도 5는 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다(기준전극: Ag/AgCl). 도 5에서 X축은 시간(초), Y축은 전위(mV)를 나타낸다. 5 is a graph showing the voltage change according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin in the embodiment of the present invention (reference electrode: Ag / AgCl). In FIG. 5, the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
도 6은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 전극 전압의 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 6에서 X축은 pH, Y축은 전위(mV)를 나타낸다. 6 is a graph showing the dependence of the electrode voltage on the pH change of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 6, the X axis represents pH and the Y axis represents potential (mV).
도 7은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 감응시간을 나타내는 그래프이다. 도 7에서 X축은 시간(초), Y축은 전위(mV)를 나타낸다. 7 is a graph showing the response time according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 7, the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
도 8은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 표면 연마에 따른 수소 이온 감응 기울기의 재현성을 나타내는 그래프이다. 도 8에서 X축은 측정 회차, Y축은 수소 이온 감응 기울기(mV/pH)를 나타낸다. FIG. 8 is a graph showing the reproducibility of a hydrogen ion response slope according to surface polishing of a hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 8, the X axis represents the measurement cycle, and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
도 9는 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자  복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 수소 이온 감응 기울기의 시간 경과에 따른 안정성을 나타내는 그래프이다. 도 9에서 X축은 측정 일차, Y축은 수소 이온 감응 기울기(mV/pH)를 나타낸다. Figure 9 is a graph showing the stability over time of the hydrogen ion response slope of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and polymer composite material in the embodiment of the present invention. In FIG. 9, the X axis represents the measurement primary and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
[도면 부호의 설명][Description of Drawing Reference]
11: 수소 이온 전극 12: 도전성 접착 부위11: hydrogen ion electrode 12: conductive bonding site
20: 전기적 접촉 수단 30: 하우징20: electrical contact means 30: housing
31: 오픈 부위31: open area
이하 본 발명의 예시적인 구현예들에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
본 명세서에서 이리듐 산화물은 이리듐 산화물 또는 수화된 이리듐 산화물(IrOy 또는 IrOy·nH2O; 참고로, 여기서 y는 벌크 조성의 경우 2에 해당하나 입자의 크기가 매우 작고 표면적이 대단히 큰 나노 산화물의 경우 그 값을 특정지을 수 없다)을 통칭한다.In the present specification, the iridium oxide is an iridium oxide or a hydrated iridium oxide (IrO y or IrO y nH 2 O; for reference, where y corresponds to 2 in the bulk composition but is a nano oxide having a very small particle size and a very large surface area. In the case of, the value cannot be specified).
본 명세서에서 나노 이리듐 산화물은 나노 이리듐 산화물 입자 또는 이들의 응집체를 포함한다.Nano iridium oxide herein includes nano iridium oxide particles or aggregates thereof.
본 명세서에서 응집체란 나노 이리듐 산화물 입자들이 뭉쳐져서 서로 구분되는 응집 단위를 형성한 것을 의미한다.In the present specification, the aggregate refers to the aggregation of nano iridium oxide particles to form a cohesive unit that is distinguished from each other.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지 매트릭스에 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 분산되어 있는 수소 이온 전극으로서, 상기 나노 이리듐 산화물 입자들은 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생이 가능한 수소 이온 전극을 제공한다. Exemplary embodiments of the present invention are hydrogen ion electrodes in which nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix, wherein the nano iridium oxide particles are electrically connected in a matrix to form hydrogen ions. Provided is a hydrogen ion electrode capable of surface regeneration made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin that enables electrical conduction of an electrode.
구체적으로, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생이 가능한 수소 이온 전극은, 성형 가능한 열가소성 및 소수성의 고분자 수지 매트릭스에 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 분산(개개의 입자 상태로 분산 및/또는 해당 입자들이 일부 응집된 응집 상태로 분산)되어 있는 수소 이온 전극으로서, 상기 고분자 수지 매트릭스에 분산되어 있는 나노 이리듐 산화물 입자들 및/또는 이들의 응집체들은 적어도 일부 또는 전부가 고분자 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되도록 존재함으로써 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 한다. 이와 같이 1~10nm의 나노 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들 및/또는 이들의 응집체들이 수소 이온 전극의 고분자 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되도록 분산되어 있는 구조는 종래 수소 이온 전극들과 대비하여 현저한 이점을 제공할 수 있음이 밝혀졌다.Specifically, the surface reproducible hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin according to an exemplary embodiment of the present invention, nano-iridium having a size of 1 to 10 nm in a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix A hydrogen ion electrode in which oxide particles are dispersed (dispersed in an individual particle state and / or in a cohesive state in which the particles are partially aggregated), wherein nano iridium oxide particles and / or their dispersed in the polymer resin matrix Aggregates are present so that at least some or all of them are electrically connected in the polymer matrix, thereby enabling electrical conduction of the hydrogen ion electrode. As such, the structure in which the nano-sized nano iridium oxide particles and / or their aggregates of 1 to 10 nm are dispersed to be electrically connected in the polymer matrix of the hydrogen ion electrode may provide a significant advantage in comparison with the conventional hydrogen ion electrodes. Turned out to be.
즉, 예컨대 연마 등에 의하여 수소 이온 전극의 표면이 재생되는 경우(통상 연마 등에 따른 표면 재생 시 감응도가 떨어짐) 표면에 노출되는 수소 이온 전극에서, 상기 고분자 수지 매트릭스 중에서 접촉, 연결되어 전기 전도를 가능하게 하도록 분산된 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들 및/또는 이들의 응집체(이들이 수소 이온 감응 물질이 된다)는 시료 용액에 즉각 감응(시료 용액과의 pH 감응 평형 반응을 신속하게 이룸)하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 즉각적인 감응성의 재현성을 높일 수 있으며, 반복 사용이나 급격한 pH 변화가 있는 경우에도 히스테리시스를 낮게 할 수 있다. That is, in the case where the surface of the hydrogen ion electrode is regenerated by polishing or the like (usually, the sensitivity is poor upon surface regeneration due to polishing), the hydrogen ion electrode exposed to the surface is contacted and connected in the polymer resin matrix to enable electrical conduction. 1-10 nm nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof (which become hydrogen ion sensitive materials) can be readily reacted to the sample solution (quickly reacting pH sensitive equilibrium with the sample solution). In addition, it can increase the reproducibility of immediate response and lower the hysteresis even in case of repeated use or rapid pH change.
또한, 상기 나노 이리듐 산화물 입자들 및/또는 이들의 응집체가 분산되어 있는 고분자 수지 매트릭스에서는 기공이 실질적으로 거의 없는 상태가 되어 표면(전극 감응부가 될 표면)에서 시료 용액의 상기 기공을 통한 침투가 실질적으로 거의 일어나지 않게 되면서, 상기와 같이 분산된 나노 이리듐 산화물 입자들 및/또는 이들의 응집체에 시료 용액이 신속히 접촉하게 될 수 있다. In addition, in the polymer resin matrix in which the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are dispersed, substantially no pores exist so that penetration of the sample solution through the pores of the sample solution at the surface (the surface to be the electrode sensitive portion) is substantially achieved. While rarely occurring, the sample solution may be in rapid contact with the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof dispersed as described above.
예시적인 일 구현예에서, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자는 개개의 입자 상태로 매트릭스 중에 분산되어 있으면서 전기적으로 상호 접촉, 연결하여(즉, 전기 전도의 경로를 형성하여) 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 할 수 있다. In an exemplary embodiment, nano iridium oxide particles of 1-10 nm size are dispersed in a matrix in individual particle states and are electrically contacted, connected (ie, forming a path of electrical conduction) to the electrical of the hydrogen ion electrode. You can make evangelism possible.
예시적인 일 구현예에서, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자는 나노 이리듐 산화물 입자의 응집체 단위를 이룰 수 있고, 이러한 응집체 단위들이 적어도 일부에서 상호 접촉, 연결하여(전기 전도의 경로를 형성) 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 할 수 있다. 이와 같이, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자가 응집된 나노 이리듐 산화물 응집체 단위가 상기 고분자 수지 매트릭스에 분산되는 경우 전극 감응부에서 시료 용액에 접촉할 넓은 비표면적을 제공할 수 있는 장점이 있다. In an exemplary embodiment, nano iridium oxide particles of 1-10 nm size may form aggregate units of nano iridium oxide particles, the aggregate units at least in part contacting and interconnecting (to form a path of electrical conduction) hydrogen Electrical conduction of the ion electrode can be enabled. As such, when the nano iridium oxide aggregated unit in which the nano iridium oxide particles having the size of 1 to 10 nm are aggregated is dispersed in the polymer resin matrix, there is an advantage in that the electrode sensitive part may provide a large specific surface area to contact the sample solution.
예시적인 일 구현예에서, 상기 개개의 입자 상태 및 응집체가 혼재된 상태일 수 있고, 해당 입자 및/또는 응집체들이 상호 접촉, 연결하여(전기 전도의 경로를 형성) 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 할 수 있다.In an exemplary embodiment, the individual particle states and aggregates may be in a mixed state, and the particles and / or aggregates may be in contact with each other (to form a path of electrical conduction) to enable electrical conduction of a hydrogen ion electrode. It can be done.
전술한 바와 같이 이상성에 가까운 pH 감응성, 높은 재현성, 우수한 표면 재생성, 낮은 히스테리스 등을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 구현예들의 복합 재료의 나노 이리듐 산화물 입자의 크기는 1~10nm, 또는 2~10nm, 또는 2~5nm, 또는 2~4nm일 수 있다. 또한, 나노 이리듐 산화물 입자의 크기가 1nm 보다 작은 경우 나노 이리듐 산화물 입자의 분리 여과 (수집)에 어려운 점이 있으며, 10nm 보다 큰 경우 복합재료 전극물질 제조가 어렵게 되고 상기한 전극 특성이 저하될 수 있다. 또한, 나노 이리듐 산화물 입자 및 복합재료 전극 물질의 제조, 전극 특성의 유지의 측면에서 나노 이리듐 산화물 입자의 크기는 2~10nm, 또는 2~5nm, 또는 2~4nm일 수 있다.As described above, in order to achieve near ideal pH sensitivity, high reproducibility, excellent surface reproducibility, low hysteresis, etc., the size of the nano iridium oxide particles of the composite material of exemplary embodiments of the present invention is 1-10 nm, or 2-2. 10 nm, or 2 to 5 nm, or 2 to 4 nm. In addition, when the size of the nano iridium oxide particles is smaller than 1nm, there is a difficulty in separation filtration (collection) of the nano iridium oxide particles, when larger than 10nm it is difficult to manufacture a composite electrode material and the electrode properties may be reduced. In addition, the nano iridium oxide particles may have a size of 2 to 10 nm, or 2 to 5 nm, or 2 to 4 nm in terms of preparing nano iridium oxide particles and composite electrode materials and maintaining electrode characteristics.
예시적인 일 구현예에서, 상기 수소 이온 전극은 상기 고분자 수지에 상기 나노 이리듐 산화물 응집체가 분산됨으로써, pH를 3에서 11로 높인 후 다시 3으로 떨어뜨리는 급격한(큰 폭의) pH 변화나 반복 사용 등에도 불구하고 1~2mV의 매우 낮은 히스테리스를 나타낼 수 있다. 이러한 히스테리시스 특성은 기존의 이리듐 산화물 코팅막 전극, 이리듐 산화물과 유리 또는 세라믹 복합 재료 전극 등과 대비할 때 매우 우수한 것이다. In an exemplary embodiment, the hydrogen ion electrode may be dispersed in the polymer resin in the nano iridium oxide aggregates, thereby increasing the pH from 3 to 11 and then dropping back to 3, such as rapid (large) pH change or repeated use. Nevertheless, it can show very low hysteresis of 1 ~ 2mV. This hysteresis characteristic is very excellent compared to the conventional iridium oxide coating electrode, iridium oxide and glass or ceramic composite electrode.
예시적인 일 구현예에서, 상기 수소 이온 전극은, 상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자가 20 내지 45 중량 % 및 상기 고분자 수지가 80 내지 55중량%로 이루어질 수 있다. 참고로, 상기 나노 이리듐 산화물 중량은 열무게 법 분석 등의 방법을 통하여 측정할 수 있다. 상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자가 20 중량% 미만인 경우 수소 이온 전극이 요구하는 전기전도성이 나타나지 않을 수 있고, 45 중량% 를 초과하는 경우에는 수소 이온 전극의 물리적 안정성 저하, 표면 기공도의 증가가 나타날 수 있으며, 이로 인해 감응성의 저하의 문제점이 있을 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen ion electrode may be made of 20 to 45% by weight of the nano-iridium oxide particles having a size of 1 ~ 10nm and 80 to 55% by weight of the polymer resin. For reference, the nano iridium oxide weight can be measured through a method such as thermogravimetric analysis. When the nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are less than 20% by weight, the electrical conductivity required by the hydrogen ion electrode may not appear, and when the content exceeds 45% by weight, the physical stability of the hydrogen ion electrode may be decreased. An increase may appear, which may cause a problem of desensitization.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자 수지는 수용성 유기 용매에 용해될 수 있는 유리 전이 온도(Tg)가 20℃ 이상인 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지 또는 상기 특성을 갖는 고분자 수지들의 혼합물이다. 이러한 수지는 예컨대, PMMA(폴리메틸메타크릴레이트) 수지, PVC(폴리비닐클로라이드) 수지 또는 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌) 수지 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 해당 수지들은 유리 전이 온도(Tg) 이하의 전극 사용 온도범위 내에서 고체상을 가지게 된다.In an exemplary embodiment, the polymer resin is a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or higher that can be dissolved in a water-soluble organic solvent or a mixture of polymer resins having the above characteristics. Such resins can be, for example, PMMA (polymethylmethacrylate) resins, PVC (polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof. The resins will have a solid phase within the electrode operating temperature range below the glass transition temperature (T g ).
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 하우징, 상기 하우징 내에 위치하는 상기 수소 이온 전극 및 상기 수소 이온 전극에 연결된 전기적 접촉 수단을 포함하는 pH 센서를 제공한다. 상기 수소 이온 전극이 측정 대상 시료와 접촉하여 전극 감응부가 된다. 즉, 해당 센서는 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 매트릭스 속에 1~10nm 의 크기를 갖는 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 이들의 응집체가 전기적으로 연결되도록 분산되어 전기 전도성을 가질 수 있는 복합 재료를 전극 감응부로 하게 된다.   Exemplary embodiments of the invention also provide a pH sensor comprising a housing, the hydrogen ion electrode located within the housing and electrical contact means connected to the hydrogen ion electrode. The hydrogen ion electrode contacts the sample to be measured to become an electrode sensitive portion. That is, the sensor may be dispersed in the moldable thermoplastic and hydrophobic polymer matrix so that the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are electrically connected to each other, thereby making the electrode sensitive portion a composite material which may have electrical conductivity. do.
도 1 및 2는 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 수소 이온 전극을 포함하는 pH 센서를 나타내는 개략도이다. 도 1은 pH 센서의 개략적인 사시도이고, 도 2는 개략적인 단면도이다. 1 and 2 are schematic diagrams illustrating a pH sensor including a hydrogen ion electrode according to an exemplary embodiment of the present invention. 1 is a schematic perspective view of a pH sensor, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view.
앞서 설명한 상기 수소 이온 전극(11)은 예컨대, 원통 형상으로 성형되고 일측 표면에서 시료와 접촉하여 전극 감응부로 된다. 수소 이온 전극의 다른 일측에는 전도성 금속선 또는 금속 봉 등 전기적 접촉 수단(20)이 연결된다. 이때 은 페이스트 또는 은 에폭시로 이루어지는 도전성 접착 부위(12)를 매개로 전기적 접촉수단(20)이 수소 이온 전극(11)에 연결될 수 있다. 해당 수소 이온 전극은 예컨대 플라스틱과 같은 비 전기 전도성 하우징(30) 내에 장착되어 pH 센서를 이룰 수 있다. 상기 하우징(30)은 일측에 오픈 부위(31)를 형성하고 있고, 이 오픈 부위(31)를 통해 전극 감응부인 수소 이온 전극(11)이 시료 용액에 노출되게 된다. The hydrogen ion electrode 11 described above is formed into, for example, a cylindrical shape, and comes into contact with a sample on one surface to form an electrode sensitive portion. The other side of the hydrogen ion electrode is connected to the electrical contact means 20 such as a conductive metal wire or a metal rod. In this case, the electrical contact means 20 may be connected to the hydrogen ion electrode 11 through the conductive adhesive portion 12 made of silver paste or silver epoxy. The hydrogen ion electrode can be mounted in a non-electrically conductive housing 30, for example plastic, to form a pH sensor. The housing 30 has an open portion 31 formed at one side thereof, and the hydrogen ion electrode 11 serving as the electrode sensitive portion is exposed to the sample solution through the open portion 31.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 수소 이온 전극의 제조 방법으로서, 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 상기 나노 이리듐 산화물 입자의 응집체 및 수용성 유기 용매의 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액에 물을 가하고 수용성 유기 용매를 제거하여 고분자 수지와 나노 이리듐 산화물의 복합 재료를 얻는 단계; 및 상기 복합 재료를 가열 성형하여 수소 이온 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, a method of manufacturing the hydrogen ion electrode may also include a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin, nano-iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm, and / or aggregates and water-soluble organic particles of the nano-iridium oxide particles. Preparing a mixed solution of a solvent; Adding water to the mixed solution and removing a water-soluble organic solvent to obtain a composite material of a polymer resin and a nano iridium oxide; And forming a hydrogen ion electrode by heating the composite material to provide a method of manufacturing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin.
이러한 제조 방법은, 종래의 열분해법, 스퍼터링법, 고온 소성법 등에 의하여 제조되는 pH 전극에 비하여 낮은 온도에서 다양한 크기와 모양으로 성형제조 할 수 있고, 또한 도전체인 카본 블랙의 첨가와 분산 과정이 없으므로 제조가 매우 용이하면서도 향상된 pH 감응 특성과 재현성, 낮은 히스테리시스 등을 나타낸다는 장점을 가진다. 또한, 제조된 수소 이온 전극은 도전체인 카본 블랙을 포함하지 않음에도 불구하고 나노 이리듐 산화물 입자의 전기전도성에 의하여 pH 전극에 요구되는 전기 전도도를 가질 수 있다.This manufacturing method can be molded and manufactured in various sizes and shapes at a low temperature compared to the pH electrode manufactured by conventional pyrolysis, sputtering, high temperature firing, etc., and also there is no addition and dispersion of carbon black as a conductor. It is very easy to manufacture and has the advantage of exhibiting improved pH sensitivity and reproducibility, low hysteresis and the like. In addition, the prepared hydrogen ion electrode may have the electrical conductivity required for the pH electrode due to the electrical conductivity of the nano iridium oxide particles, even though it does not include carbon black as a conductor.
상술하면, 우선 본 발명의 예시적인 구현예들에서 사용되는 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체는, 예컨대 이리듐 전구체를 환원하는 합성법으로 합성하거나, 또는 상용의 나노 이리듐 산화물 분말에 증류수를 가하고 초음파를 이용하여 분쇄, 분산처리하여 제조할 수 있다. In detail, first, nano iridium oxide particles and / or aggregates of 1 to 10 nm in size used in exemplary embodiments of the present invention are synthesized by, for example, a synthesis method of reducing an iridium precursor, or distilled water into a commercial nano iridium oxide powder. It may be prepared by grinding and dispersing by adding ultrasonic waves.
상기 열가소성 및 소수성 고분자 수지는, 상온에서 물리적 강도가 유지되며 제조가 용이하도록 하여야 한다. 이에 유리 전이 온도(Tg)가 20℃ 이상인 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이러한 수지는 예컨대, PMMA(폴리메틸메타크릴레이트) 수지, PVC(폴리비닐클로라이드) 수지 또는 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌) 수지 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 해당 수지들은 유리 전이 온도(Tg) 이하의 전극 사용 온도범위 내에서 고체상을 가지게 된다. The thermoplastic and hydrophobic polymer resin should maintain physical strength at room temperature and be easy to manufacture. In this regard, a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin having a glass transition temperature (T g ) of 20 ° C. or more or a mixture thereof may be used. Such resins can be, for example, PMMA (polymethylmethacrylate) resins, PVC (polyvinylchloride) resins or ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resins or mixtures thereof. The resins will have a solid phase within the electrode operating temperature range below the glass transition temperature (T g ).
상기 수용성 유기 용매는 예컨대 아세톤(acetone), THF(테트라하이드로퓨란), DMF(디메틸포름아미드) 또는 DMSO(디메틸술폭사이드)일 수 있다.The water soluble organic solvent may be, for example, acetone, THF (tetrahydrofuran), DMF (dimethylformamide) or DMSO (dimethylsulfoxide).
한편, 상기 혼합 용액 제조 공정에서, 전극의 경도 조절을 위하여 필요하다면 이산화 티타늄(TiO2)과 같은 비전도성이며 비활성인 미세 분말을, 본 발명의 기술적 특징을 해치지 않는 범위에서 더 첨가할 수 있다. On the other hand, in the mixed solution manufacturing process, if necessary to control the hardness of the electrode, non-conductive and inert fine powder, such as titanium dioxide (TiO 2 ), may be further added in a range that does not impair the technical features of the present invention.
상기 고분자 수지, 상기 제조된 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체 및 수용성 유기 용매의 혼합 용액의 제조 시, 해당 고분자 수지 매질을 수용성 유기 용매에 용해하고 균일하게 분산하여 혼합 용액을 제조한 후, 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체를 해당 혼합 용액에 혼합하고 고루 분산하도록 할 수 있다. When preparing a mixed solution of the polymer resin, the prepared nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof and the water-soluble organic solvent, the polymer resin medium is dissolved in a water-soluble organic solvent and uniformly dispersed to prepare a mixed solution, and then nano Iridium oxide particles and / or aggregates thereof can be mixed and evenly dispersed in the mixed solution.
또는, 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체를 수용성 유기 용매와 혼합하고 고루 분산하여 혼합 용액을 제조한 후, 상기 고분자 수지를 상기 혼합 용액에 혼합하고 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체가 상기 고분자 수지 매질에 고루 분산되도록 할 수 있다. Alternatively, nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with a water-soluble organic solvent and evenly dispersed to prepare a mixed solution, and then the polymer resin is mixed into the mixed solution and nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with the polymer. It can be dispersed evenly in the resin medium.
또는, 상기 고분자 수지를 수용성 유기 용매에 용해한 제1 혼합 용액을 제조하고 이를 고루 분산하고, 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체를 수용성 유기 용매와 혼합하고 분산한 제2 혼합 용액을 제조하고 이를 고루 분산한 후, 제 1 혼합 용액 및 제 2 혼합 용액을 혼합하고 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체가 이 상기 고분자 수지 매질에 고루 분산되도록 할 수 있다. Alternatively, a first mixed solution obtained by dissolving the polymer resin in a water-soluble organic solvent is prepared and uniformly dispersed, and a second mixed solution in which the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof are mixed with a water-soluble organic solvent and dispersed is prepared and evenly distributed. After dispersion, the first mixed solution and the second mixed solution may be mixed and the nano iridium oxide particles and / or aggregates thereof may be evenly dispersed in the polymer resin medium.
이어서, 상기 혼합 용액에 과량의 물을 가하여 수용성 유기 용매를 제거하여, 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 그 응집체가 고루 분산된 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료를 용매로부터 분리(또는 석출)할 수 있다. Subsequently, excess water is added to the mixed solution to remove the water-soluble organic solvent, and the composite material of the nano iridium oxide and the polymer resin in which the nano iridium oxide particles and / or aggregates are evenly dispersed can be separated (or precipitated) from the solvent. have.
다음으로, 상기 복합 재료를 가압 가열함으로써 성형하여 전기 전도성을 띠는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지 복합 재료 수소 이온 전극 물질을 제조하도록 한다. 여기서, 상기 가압 가열 성형은 사용되는 매질 고분자의 열분해 온도 이하에서 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 예시적인 일 구현예에서, 상기 복합 재료를 분쇄하여 분말을 만든 후 가열 성형할 수 있다.Next, the composite material is molded by pressurizing heating to prepare nano iridium oxide and a polymer resin composite hydrogen ion electrode material having electrical conductivity. Here, the pressurized heating molding is preferably made at a temperature below the thermal decomposition temperature of the medium polymer to be used. Meanwhile, in an exemplary embodiment, the composite material may be pulverized to form a powder and then heat-molded.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제조된 수소 이온 전극의 표면을 연마할 수 있고, 또한 연마 후 탈이온수에서 안정화할 수 있다.In an exemplary embodiment, the surface of the prepared hydrogen ion electrode may be polished, and may also be stabilized in deionized water after polishing.
이와 같이 성형 제조한 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료 수소 이온 전극 물질을 비 전기 전도성 하우징 예컨대 전극 물질 직경 또는 그 이상의 내경을 가진 비전도성 원통형 플라스틱 한쪽 끝에 봉입하여 상기 복합 재료로 이루어지는 수소 이온 전극(전극 감응부)(11)을 형성하고, 반대 측에 전도성 금속 선이나 봉과 같은 전기적 접촉 수단(20)을 형성하고 전기적 접촉을 이루며, 해당 전기적 접촉 수단(20)은 하우징 외부(30)에서 측정 장치에 연결하도록 할 수 있다. 또한, 상기 수소 이온 전극(11)과 전기적 접촉 수단(20) 사이에는 도전성 은페이스트 또는 은 에폭시로 이루어지는 접촉 부위(12)를 더 포함할 수 있다(도 1 및 2 참조).A hydrogen ion electrode made of the composite material by encapsulating the composite material hydrogen ion electrode material of the nano-iridium oxide and the polymer resin manufactured as described above at one end of a non-conductive housing such as a non-conductive cylindrical plastic having an inner diameter of the electrode material or larger. An electrode sensitive portion 11, and forms an electrical contact means 20 such as a conductive metal wire or a rod on the opposite side thereof, and makes electrical contact, and the electrical contact means 20 is measured outside the housing 30. Can be connected to In addition, a contact portion 12 made of conductive silver paste or silver epoxy may be further included between the hydrogen ion electrode 11 and the electrical contact means 20 (see FIGS. 1 and 2).
혹은, 가열 성형법에 의하여 비전도성 플라스틱 하우징의 한쪽 끝 내부에 상기 복합 재료 수소 이온 전극 물질을 몰딩 봉입하고, 연마 가공하여 상기 복합 재료 수소 이온 전극 물질로 이루어지는 전극 감응부를 형성시키고, 다른 한쪽에 전기 접촉을 위한 구멍을 뚫은 후 도전성 은페이스트 또는 은에폭시를 사용하여 전도성 금속 선이나 봉으로 감응부와 전기적 접촉을 이루어 다른 한쪽으로 측정장치에 연결하도록 할 수도 있다.Alternatively, the composite material hydrogen ion electrode material is molded and encapsulated inside one end of the nonconductive plastic housing by a heat forming method, and polished to form an electrode sensitive portion made of the composite material hydrogen ion electrode material, and the electrical contact to the other. After drilling a hole for the conductive silver paste or silver epoxy using a conductive metal wire or rod to make electrical contact with the sensitive part may be connected to the measuring device on the other side.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common in the art while making the disclosure of the present invention complete. It is to be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention.
<실시예 1> <Example 1>
나노 이리듐 산화물 제조 실시예Nano Iridium Oxide Preparation Example
먼저, 500 ㎖의 둥근 바닥 플라스크에 2 g의 (NH4)2IrCl6를 첨가하고, 250 ㎖의 탈이온수를 가하여 녹인 다음 용액을 자석 젓개로 잘 저으면서 0.1M NaOH를 서서히 가하여 용액의 pH를 8 ~ 9로 조절한다. First, 2 g of (NH 4 ) 2 IrCl 6 was added to a 500 ml round bottom flask, 250 ml of deionized water was added to dissolve, and the solution was slowly added with 0.1 M NaOH while stirring well with a magnetic spoon. Adjust to ~ 9.
둥근 바닥 플라스크에 콘덴서를 장착하고 중탕기를 사용하여 95℃에서 잘 저어주면서 30분간 가열한 후 상온으로 식힌다. Mount the condenser in the round bottom flask and stir at 95 ℃ using a water bath, heat for 30 minutes, and cool to room temperature.
용액은 갈색에서 진한 남색을 띠는 침전부유물을 함유하는 용액으로 변한다. 다시 pH를 측정하면서 0.1M NaOH를 가하여 pH를 8 ~ 9로 조절한 후 95℃에서 30분간 가열한 후 상온으로 식힌다. The solution turns from a brown to dark blue solution containing precipitated suspension. While measuring pH again, 0.1M NaOH was added to adjust the pH to 8-9, and then heated at 95 ° C. for 30 minutes, and then cooled to room temperature.
이 과정을 6-7회 반복하면 용액의 pH는 8 ~ 9에서 더 이상 변하지 않으며 용액에 형성되는 1~10nm 나노 이리듐 산화물 입자 및/또는 응집체를 수집하여 세척하고 다시 아세톤에 분산시킨다. Repeating this process 6-7 times, the pH of the solution no longer changes from 8 to 9, and the 1-10 nm nano iridium oxide particles and / or aggregates formed in the solution are collected, washed and again dispersed in acetone.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에서 제조한 나노 이리듐 산화물 입자가 응집한 응집체를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 3은 스케일 바의 크기를 10nm로 한 것이고, 도 4는 스케일 바를 2nm로 하여 확대한 사진이다.3 and 4 are transmission electron microscope (TEM) photographs showing aggregates in which nano iridium oxide particles prepared in Examples of the present invention are aggregated. FIG. 3 shows the size of the scale bar at 10 nm, and FIG. 4 is an enlarged picture of the scale bar at 2 nm.
한편, 상기 방법 대신 예컨대, 다음과 같은 방법으로 나노 이리듐 산화물 입자를 준비할 수 있다 Meanwhile, instead of the above method, for example, nano iridium oxide particles may be prepared by the following method.
나노 이리듐 산화물 제조 변형예Nano Iridium Oxide Manufacturing Variation
상용 나노 이리듐 산화물 분말 1g에 50ml의 증류수를 가하고 초음파를 이용하여 분쇄, 분산처리한다. 입자크기가 작은 나노 이리듐 산화물을 선별하기 위하여 분쇄된 나노 이리듐산화물에 300ml의 탈이온수를 가하고 초음파와 자석교반기를 사용하여 이리듐 산화물을 분산시킨다. 50 ml of distilled water is added to 1 g of commercial nano iridium oxide powder, which is ground and dispersed using ultrasonic waves. In order to select nano iridium oxide having a small particle size, 300 ml of deionized water is added to the pulverized nano iridium oxide, and the iridium oxide is dispersed using an ultrasonic wave and a magnetic stirrer.
입자가 큰 이리듐 산화물 응집체가 가라앉도록 10여 초 기다린 후 가라앉지 않은 나노 이리듐 산화물 상층액을 다른 비커로 따른다. Wait 10 seconds for the large iridium oxide aggregates to settle and pour the unimmersed nano iridium oxide supernatant into another beaker.
나노 이리듐 산화물이 분산된 분산액을 원심분리관에 나누어 넣고 3000 rpm에서 15분간 회전시켜 나노 이리듐 산화물을 가라앉힌 후 상층액을 제거하여 나노 이리듐 산화물을 회수하고 이를 세척한 후 아세톤에 분산시킨다. The dispersion in which the nano iridium oxide is dispersed is divided into a centrifuge tube and rotated at 3000 rpm for 15 minutes to sink the nano iridium oxide, and then the supernatant is removed to recover the nano iridium oxide, washed, and dispersed in acetone.
참고로, 이상의 나노 이리듐 산화물 제조 과정에서 THF, DMF, DMSO 등과 같은 수용성 유기 용매를 고분자의 용해도에 따라  아세톤을 대신하여 사용해도 무방하다.  For reference, in the manufacturing process of nano iridium oxide, a water-soluble organic solvent such as THF, DMF, DMSO, or the like may be used instead of acetone depending on the solubility of the polymer.
나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료의 제조Preparation of Composite Material of Nano Iridium Oxide and Polymer Resin
PMMA 수지를 유리 용기에 넣고, 아세톤을 가하고 소형의 자석젓개막대를 넣은 후 밀봉하고 자석젓개로 잘 저어 고분자 수지를 완전히 용해시켜 중량비 25%의 고분자 용액을 제조한다(제 1 혼합 용액 제조).The PMMA resin is placed in a glass container, acetone is added, a small magnetic paddle bar is sealed, sealed and stirred well with a magnetic paddle to completely dissolve the polymer resin to prepare a polymer solution having a weight ratio of 25% (first mixed solution preparation).
앞서 실시예에서 제조한 나노 이리듐 산화물에 아세톤을 가하여 부피비를 약 1:3으로 가하고 고루 분산시킨다(제 2 혼합 용액 제조).Acetone is added to the nano iridium oxide prepared in the previous example to add a volume ratio of about 1: 3 and evenly dispersed (preparation of a second mixed solution).
나노 이리듐 산화물과 고분자 수지 고형성분의 중량비가 열무게법 분석 결과에서 0.37:0.63이 되도록 상기 제 1 혼합 용액과 제 2 혼합 용액을 섞은 후, 편심교반기를 사용하여 나노 이리듐 산화물이 고분자 용액에 완전히 분산될 때까지 섞어준다.After mixing the first mixed solution and the second mixed solution so that the weight ratio of the nano iridium oxide and the polymer resin solid component is 0.37: 0.63, the nano iridium oxide is completely dispersed in the polymer solution using an eccentric stirrer. Mix until
나노 이리듐 산화물이 분산된 고분자 용액을 과량의 물에 서서히 가하면 나노 이리듐 산화물이 분산된 고분자 혼합물질로부터 수용성 용매인 아세톤이 제거되고 고체로 석출되어 나노 이리듐 산화물과 고분자 수지로 이루어진 복합 재료 물질을 형성한다. 이와 같이 추출된 복합 재료 물질을 건조한 후 분쇄기를 사용하여 갈아 분말을 만든다.         When the polymer solution in which the nano iridium oxide is dispersed is slowly added to the excess water, the water-soluble solvent acetone is removed from the polymer mixture in which the nano iridium oxide is dispersed and precipitated as a solid to form a composite material composed of the nano iridium oxide and the polymer resin. . The composite material thus extracted is dried and ground using a grinder to form a powder.
나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극 제조Preparation of Hydrogen Ion Electrode Composed of Composite Material of Nano Iridium Oxide and Polymer Resin
제조된 나노 이리듐 산화물-PMMA 고분자 복합 재료 분말을 직경 2~4 mm의 몰드에 넣고 150℃로 가열, 가압하여 성형함으로써 약한 전기전도성을 띠는 길이가 약 3~4 mm인 나노이리듐 산화물-고분자 복합 재료 수소이온 전극 물질을 제조한다. The prepared nano-iridium oxide-PMMA polymer composite powder was placed in a mold having a diameter of 2 to 4 mm, and heated and pressed at 150 ° C. to form a nano-iridium oxide-polymer composite having a weak electrical conductivity of about 3 to 4 mm in length. Materials Hydrogen ion electrode materials are prepared.
성형 제조한 나노 이리듐 산화물-고분자 복합재료 수소이온 전극물질을 전극물질 직경에 해당하는 내경을 가진 비전도성 원통형 플라스틱 한쪽 끝에 봉입하여 나노 이리듐 산화물-고분자 복합재료 전극감응부를 형성시키고 전도성 은페이스트를 묻힌 전도성 금속선이나 봉을 삽입하여 전기적 접촉을 시킨 후 그  입구를 접착제를 사용하여 고정시킨다. 전극 감응부 표면을 2000 그리트(grit) SiC 사포로 곱게 연마한 후, 다시 0.3 마이크로미터의 알루미나 연마제를 사용하여 최종 연마한다. 감응부 표면을 연마한 전극은 탈이온수에 담그어 수화시킴으로써 안정화 과정을 거친다. The nano-iridium oxide-polymer composite material manufactured by molding is encapsulated at one end of a non-conductive cylindrical plastic having an inner diameter corresponding to the diameter of the electrode material to form the nano-iridium oxide-polymer composite electrode sensitive portion, and the conductive silver paste is coated. Insert metal wire or rod to make electrical contact, and fix the entrance of the group with adhesive. The electrode sensitive surface is ground finely with 2000 grit SiC sandpaper and then finally polished with 0.3 micron alumina abrasive. The electrode polished surface of the sensitive part is stabilized by immersing it in deionized water.
<실험예> Experimental Example
전극의 감응 특성 확인Check the response characteristics of the electrode
상기 제조한 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극(전극 #29로 표시한다: 열무게 분석결과 37%의 나노 이리듐 산화물을 함유)의 감응 특성을 측정한다. The response characteristic of the hydrogen ion electrode (denoted by electrode # 29: containing 37% of nano iridium oxide as a result of thermogravimetric analysis) composed of the composite material of the nano iridium oxide and the polymer resin prepared above was measured.
0.01 M 인산-붕산-아세트산-염화칼륨의 조성을 갖는 유니버설 완충용액 (universal buffer solution)에 상용 pH 유리전극을 담가 용액의 pH를 3으로 맞춘 후 수산화칼륨 및 질산을 가하여 pH를 3-11 범위에서 변화시켜 가면서 Ag/AgCl (3.0 M KCl) 기준전극에 대하여 전위를 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 이때, pH는 pH 11 까지 증가시킨 다음, 다시 질산을 가하여 pH를 3까지 반복 변화시켰다.Soak a commercial pH glass electrode in a universal buffer solution containing 0.01 M phosphate-boric acid-acetic acid-potassium chloride, adjust the pH to 3, add potassium hydroxide and nitric acid, and change the pH in the range of 3-11. The potential was measured with respect to the Ag / AgCl (3.0 M KCl) reference electrode, and the results are shown in FIG. 2. At this time, the pH was increased to pH 11, and then nitric acid was added again to change the pH to 3 repeatedly.
도 5는 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다(기준전극: Ag/AgCl). 도 5에서 X축은 시간(초), Y축은 전위(mV)를 나타낸다. 5 is a graph showing the voltage change according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin in the embodiment of the present invention (reference electrode: Ag / AgCl). In FIG. 5, the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
도 5에서 보는 바와 같이, 전극의 전위가 용액의 pH 변화에 따라 빠르게 새로운 전위로 안정화되는 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 5, it can be seen that the potential of the electrode is quickly stabilized to a new potential in accordance with the pH change of the solution.
도 5의 마지막 부분에서 보는 바와 같이, 단계적 pH 변화 실험이 끝난 후 용액의 pH를 다시 11로 급격하게 조절한 후 pH를 측정하고 다시 pH를 3으로 변화시킬 경우 전극은 즉각적으로 감응하였으며 약 1.7 mV의 히스테리시스를 보인 후 안정화되는 것을 볼 수 있다.   As shown in the last part of FIG. 5, after the step of pH change experiment, the pH of the solution was drastically adjusted to 11, and then the electrode was immediately reacted when the pH was measured and the pH was changed to 3 again. It can be seen that after the hysteresis of the stabilization.
한편, 도 5에서 측정된 각 pH에 따른 전극 전위를 도 5 에 나타내었다.Meanwhile, electrode potentials corresponding to respective pHs measured in FIG. 5 are shown in FIG. 5.
도 6은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 전극 전압의 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 6에서 X축은 pH, Y축은 전위(mV)를 나타낸다. 6 is a graph showing the dependence of the electrode voltage on the pH change of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 6, the X axis represents pH and the Y axis represents potential (mV).
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 나노 이리듐 산화물-고분자 변성 복합재료 수소이온 전극은 -59.7 ㎷/pH unit의 기울기를 보였으며, 이론값인 -59.2 ㎷/pH unit와 매우 근접한 것을 확인하였다.The nano-iridium oxide-polymer modified composite hydrogen ion electrode according to the exemplary embodiments of the present invention showed a slope of −59.7 ㎷ / pH unit and was found to be very close to the theoretical value of −59.2 ㎷ / pH unit.
전극 신호의 응답성 확인Confirm responsiveness of electrode signal
상기 제조한 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료 수소 이온 전극(전극 #29로 표시함: 열무게 분석결과 37%의 나노 이리듐 산화물을 함유)의 응답속도를 확인하기 위하여, 0.01M 유니버설 완충용액의 pH를 3.04로 조절하고 용액을 잘 저어주면서 0.1M NaOH 용액 일정량을 신속하게 가하여 용액의 pH를 7 근처인 6.99로 변화시키고 시간에 따른 전극의 응답특성을 기록하였다. 그 후 다시 0.1M HCl 일정량을 가하여 용액의 pH를 3근처인 2.97로 변화시키고 또 0.1M NaOH를 가하여 pH를 6.91로 변화시키면서 시간에 따른 전극의 응답특성을 기록한 한 결과를 도 7에 나타내었다. In order to confirm the response speed of the prepared composite material of the nano iridium oxide and the polymer resin hydrogen electrode (marked as electrode # 29: 37% nano iridium oxide as a result of thermogravimetric analysis), 0.01M of universal buffer solution The pH was adjusted to 3.04 and the solution was stirred well, and a certain amount of 0.1 M NaOH solution was quickly added to change the pH of the solution to 6.99 near 7, and the response characteristics of the electrode over time were recorded. After adding a certain amount of 0.1M HCl again, the pH of the solution was changed to 2.97 near 3, and the pH of the solution was changed to 6.91 by adding 0.1M NaOH.
도 7은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 pH 변화에 따른 감응시간을 나타내는 그래프이다. 도 7에서 X축은 시간(초), Y축은 전위(mV)를 나타낸다.7 is a graph showing the response time according to the pH change of the hydrogen ion electrode made of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 7, the X axis represents time (seconds) and the Y axis represents potential (mV).
통상적으로 전극신호의 응답특성은 전극 전위가 안정 전위값의 90%에 도달하는 시간, τ90으로 산정하지만 본 실시예의 응답 특성확인 실험의 경우 가해지는 0.1M HCl 용액이나 0.1 M NaOH 용액의 혼합에 소요되는 시간에 비하여 더 빠른 응답성을 보이기 때문에 정확한 τ90값은 산정이 불가능하였다. 이는 본 발명의 구현예들의 pH 전극이 즉각적인 감응성을 보이기 때문이다.Typically, the response characteristic of the electrode signal is calculated as τ 90 , when the electrode potential reaches 90% of the stable potential value, but in the case of the response characterization experiment of this embodiment, the mixture of 0.1 M HCl solution or 0.1 M NaOH solution is added. The exact value of τ 90 was impossible to estimate because it showed a faster response than the time required. This is because the pH electrode of embodiments of the present invention exhibits immediate sensitivity.
전극의 표면 재현성 확인Check surface reproducibility of electrode
상기 제조한 전극(전극 #29로 표시함: 열무게 분석결과 37%의 나노 이리듐 산화물을 함유)의 표면을 2000 그리트(grit) SiC 사포로 연마하고, 다시 0.3 마이크로미터의 알루미나 연마제로 표면을 연마한 전극을 탈이온수에 담그어 안정화시킨 후  pH 4, 7, 10 용액에서의 전극의 감응성을 측정하는 연마 후 측정과정을 8회 반복함으로써 연마에 따른 전극의 pH 감응성 변화를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.The surface of the prepared electrode (denoted by electrode # 29: thermogravimetric analysis contains 37% of nano iridium oxide) was polished with 2000 grit SiC sandpaper, and then polished with 0.3 micrometer alumina abrasive. After immersing and stabilizing one electrode in deionized water, the measurement of the pH sensitivity change of the electrode by polishing was repeated 8 times after the polishing process for measuring the sensitivity of the electrode in pH 4, 7, 10 solution. Indicated.
도 8은 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 표면 연마에 따른 수소 이온 감응 기울기의 재현성을 나타내는 그래프이다. 도 8에서 X축은 측정 회차, Y축은 수소 이온 감응 기울기(mV/pH)를 나타낸다. FIG. 8 is a graph showing the reproducibility of a hydrogen ion response slope according to surface polishing of a hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and a polymer composite material in an embodiment of the present invention. In FIG. 8, the X axis represents the measurement cycle, and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
도 8로부터 알 수 있듯이, pH 감응성의 평균 기울기(㎷/pH unit)가 -58.12 ㎷/pH unit이며, 0.5%의 우수한 상대표준편차(rsd)를 나타내었다. As can be seen from FIG. 8, the average slope (pH / pH unit) of the pH sensitivity was -58.12 mW / pH unit, and showed an excellent relative standard deviation (rsd) of 0.5%.
전극의 감응도의 재현성 확인Confirm reproducibility of electrode sensitivity
상기 제조한 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료 수소 이온 전극(전극 #29로 표시: 37%의 나노 이리듐 산화물을 함유)의 장기간 사용에 따른 전극의 감응도 변화를 조사한 결과를 도 9에 나타내었다.The result of investigating the change in the sensitivity of the electrode according to the long-term use of the prepared composite material of the iridium oxide and polymer resin hydrogen ion electrode (indicated by electrode # 29: 37% nano iridium oxide) is shown in FIG.
도 9는 본 발명의 실시예에서의 나노 이리듐 산화물 및 고분자  복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 수소 이온 감응 기울기의 시간 경과에 따른 안정성을 나타내는 그래프이다. 도 9에서 X축은 측정 일차, Y축은 수소 이온 감응 기울기(mV/pH)를 나타낸다. Figure 9 is a graph showing the stability over time of the hydrogen ion response slope of the hydrogen ion electrode composed of nano iridium oxide and polymer composite material in the embodiment of the present invention. In FIG. 9, the X axis represents the measurement primary and the Y axis represents the hydrogen ion response slope (mV / pH).
도 9에서는  pH 4, 7,10 에서의 전극 전위 26 일에 걸쳐 반복 측정하고 그 결과로부터 계산한 전극감응도(slope)를 함께 나타낸 것이다. 전극은 매일 측정한 후 증류수에 보관하였다.In Fig. 9, the electrode sensitivity at pH 4, 7,10 is repeatedly measured over 26 days and the electrode sensitivity calculated from the results is also shown. The electrode was measured daily and stored in distilled water.
도 9의 결과를 분석한 결과 전극감응도인 평균 slope는 -58.44mV/pH로 나타났으며 그 상대표준편차는 0.91%로 매우 높은 감응도 재현성을 장기간에 걸쳐 나타냄을 확인하였다.As a result of analyzing the results of FIG. 9, the average slope of the electrode sensitivity was -58.44 mV / pH, and the relative standard deviation was 0.91%, indicating that the sensitivity was reproducible over a long period of time.
또한 최초 사용 후 1개월이 경과한 복합 재료 수소 이온 전극(전극 #29로 표시: 열무게 분석결과 37%의 나노 이리듐 산화물을 함유)으로 20회에 걸친 pH 4, 7, 10 완충용액에서의 전압 측정값으로부터 계산한 pH 감응 기울기의 평균값은 -58.69 mV/pH unit로 나타났으며 기울기의 상대 표준편차(rsd)는 0.44%로 안정하며 재현성 있는 pH 감응성이 확인되었다. In addition, a composite hydrogen ion electrode 1 month after initial use (marked as electrode # 29: containing 37% of nano iridium oxide as a result of thermogravimetric analysis) was used for 20 times at pH 4, 7, and 10 buffers. The average value of the pH response slope calculated from the measured value was -58.69 mV / pH unit, and the relative standard deviation of the slope (rsd) was 0.44%, and the reproducible pH sensitivity was confirmed.
이상과 같이, 본 발명의 구현예들에 따른 수소 이온 전극은 나노 이리듐 산화물 응집체가 상기한 고분자 수지 매트릭스에 분산되어 측정 시료 용액에 노출되는 전극 표면의 pH 감응이 매우 빠르고 이상성에 가깝게 이루어질 수 있다. 또한, 특히 상기와 같은 빠르고 이상성에 가까운 감응성이 높은 재현성을 가지며, 급격한 pH 변화 및 반복 사용에도 불구하고 1~2mV의 매우 낮은 히스테리스를 나타낼 수 있다. 또한, 높은 물리적 강도에 따른 내구성을 나타낼 뿐만 아니라, 연마에 의한 높은 표면 재생성 나타낼 수 있어, 오염이나 비활성화 시 간단한 연마에 의하여 재현성 있는 전극 표면의 재생이 가능하여 복합재료 수소 이온 전극 물질이 소진될 때 까지 수소 이온 전극의 수명을 대폭 연장할 수 있다.As described above, in the hydrogen ion electrode according to the embodiments of the present invention, the nano-iridium oxide aggregate is dispersed in the polymer resin matrix described above, so that the pH response of the electrode surface exposed to the measurement sample solution may be very fast and close to the ideal. In addition, in particular, it has a high reproducibility with such a fast and near ideal sensitivity, and may exhibit very low hysteresis of 1 to 2 mV despite rapid pH change and repeated use. In addition, it can exhibit not only durability due to high physical strength, but also high surface regeneration by polishing, and reproducible electrode surface can be reproduced by simple polishing in case of contamination or deactivation. The lifetime of the hydrogen ion electrode can be significantly extended.
본 발명은 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지고 표면 연마에 의해 표면 재생이 가능한 수소 이온 전극, 이를 이용하는 pH 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 해당 수소 이온 전극은 장시간 용액의 수소 이온 농도를 감시하는 수질 감시 시스템이나 온라인 측정시스템, 식품, 토양, 폐기물, 생체시료 등과 같은 센서 표면의 심각한 오염을 초래하는 시료의 pH 측정 등에 표면을 연마 재생해 가면서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin and capable of surface regeneration by surface polishing, a pH sensor using the same, and a manufacturing method thereof. The hydrogen ion electrode polishes and regenerates the surface in a water quality monitoring system that monitors the concentration of hydrogen ions in a solution for a long time, or in an online measurement system, or in a pH measurement of a sample that causes severe contamination of the sensor surface such as food, soil, waste, and biological samples It can be useful while going.

Claims (14)

  1. 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지 매트릭스에 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 개개의 입자 상태, 또는 상기 입자들이 응집된 응집체 상태, 또는 상기 개개의 입자 및 응집체가 혼재된 상태로 분산되어 있는 수소 이온 전극으로서, Hydrogen ions in which nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in an individual particle state, or in an aggregate state in which the particles are aggregated, or in a state in which the individual particles and aggregates are mixed in a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin matrix. As an electrode,
    상기 나노 이리듐 산화물 입자들은 매트릭스 중에서 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극.And the nano iridium oxide particles are electrically connected in a matrix to enable electrical conduction of the hydrogen ion electrode. The surface reproducible hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들은 개개의 입자 상태로 분산되어 있고, 상기 개개의 입자들이 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in individual particle states, and the individual particles are electrically connected to each other to enable electrical conduction of a hydrogen ion electrode. Surface reproducible hydrogen ion electrode made of composite material.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들이 응집된 응집체 상태로 분산되어 있고, 상기 응집체들이 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The nano-iridium oxide composite material of the nano-iridium oxide and the polymer resin, characterized in that the nano-iridium oxide particles of the size of 1 ~ 10nm are dispersed in the aggregated state, the aggregates are electrically connected to enable the electrical conduction of the hydrogen ion electrode Surface renewable hydrogen ion electrode consisting of.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자들은, 개개의 입자 상태 및 응집체 상태가 혼재되어 분산되어 있고, 상기 입자들 또는 응집체들이 전기적으로 연결되어 수소 이온 전극의 전기 전도를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm are dispersed in a mixture of individual particle states and aggregate states, and the particles or aggregates are electrically connected to each other to enable electrical conduction of a hydrogen ion electrode. A surface reproducible hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin.
  5. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 수소 이온 전극은 pH를 3에서 11로 높인 후 다시 3으로 떨어뜨리는 pH 변화에 따른 히스테리시스 전압이 1~2mV인 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The hydrogen ion electrode is a surface renewable hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin, characterized in that the hysteresis voltage is 1 ~ 2mV according to the pH change to increase the pH from 3 to 11 and then back to 3 .
  6. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 수소 이온 전극은 나노 이리듐 산화물 입자 20 내지 45중량% 및 고분자 수지 80 중량% 내지 55 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The hydrogen ion electrode is a surface renewable hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and polymer resin, characterized in that the nano-iridium oxide particles 20 to 45% by weight and the polymer resin 80% to 55% by weight.
  7. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 고분자 수지는 유리전이온도(Tg)가 20oC 이상인 고분자 수지 또는 고분자 수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어지는 표면 재생 가능한 수소 이온 전극. The polymer resin is a surface renewable hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, characterized in that the glass transition temperature (T g ) is 20 ° C or more of a polymer resin or a mixture of polymer resins.
  8. 비 전기 전도성 하우징, Non electrically conductive housing,
    상기 하우징 내에 위치하는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 수소 이온 전극 및 The hydrogen ion electrode according to any one of claims 1 to 7 located in the housing and
    상기 수소 이온 전극에 연결된 전기적 접촉 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.PH sensor, characterized in that it comprises an electrical contact means connected to the hydrogen ion electrode.
  9. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8,
    상기 하우징은 원통 형상의 하우징이고, The housing is a cylindrical housing,
    상기 원통 형상 하우징의 일측에는 상기 수소 이온 전극을 외부로 노출하는 오픈 부위가 존재하고, On one side of the cylindrical housing there is an open portion for exposing the hydrogen ion electrode to the outside,
    상기 원통 형상 하우징의 다른 일측에서 상기 전기적 접촉 수단이 상기 하우징 외부로 연결되는 것을 특징으로 하는 pH 센서.PH sensor, characterized in that the electrical contact means is connected to the outside of the housing on the other side of the cylindrical housing.
  10. 성형 가능한 열가소성 및 소수성 고분자 수지, 1~10nm 크기의 나노 이리듐 산화물 입자 및 상기 나노 이리듐 산화물 입자가 응집된 응집체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상 및 수용성 유기 용매의 혼합 용액을 제조하는 단계; Preparing a mixed solution of at least one water-soluble organic solvent selected from the group consisting of a moldable thermoplastic and hydrophobic polymer resin, nano iridium oxide particles having a size of 1 to 10 nm and aggregates in which the nano iridium oxide particles are aggregated;
    상기 혼합 용액에 물을 가하고 수용성 유기 용매를 제거하여 고분자 수지와 나노 이리듐 산화물의 복합 재료를 얻는 단계; 및 Adding water to the mixed solution and removing a water-soluble organic solvent to obtain a composite material of a polymer resin and a nano iridium oxide; And
    상기 복합 재료를 가열 성형하여 수소 이온 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법.The method of manufacturing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, characterized in that it comprises the step of heating the composite material to produce a hydrogen ion electrode.
  11. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 혼합 용액 제조 단계에서, 상기 고분자 수지를 수용성 유기 용매에 용해하고 분산하여 제1 혼합 용액을 제조하고, 상기 나노 이리듐 산화물 입자 및 응집체 중 하나 이상을 수용성 유기 용매와 혼합하고 분산하여 제2 혼합 용액을 제조하며, 제 1 혼합 용액 및 제 2 혼합 용액을 혼합하고 분산하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법.In the mixed solution preparation step, the polymer resin is dissolved and dispersed in a water-soluble organic solvent to prepare a first mixed solution, and one or more of the nano iridium oxide particles and aggregates are mixed with a water-soluble organic solvent and dispersed to form a second mixed solution. The method for producing a hydrogen ion electrode comprising a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, wherein the first mixed solution and the second mixed solution are mixed and dispersed.
  12. 제 10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 복합 재료를 분쇄하여 분말을 만든 후 가열 성형하여 수소 이온 전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법.The composite material is pulverized to form a powder and heat-molded to produce a hydrogen ion electrode, the method for producing a hydrogen ion electrode consisting of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin.
  13. 제 10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 제조된 수소 이온 전극의 표면을 연마 후 물에서 안정화하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법.Method for producing a hydrogen ion electrode made of a composite material of nano iridium oxide and a polymer resin, characterized in that the surface of the prepared hydrogen ion electrode is stabilized in water after polishing.
  14. 제 10 항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 10 to 13,
    상기 제조 방법은, 상기 가열 성형된 수소 이온 전극을 비 전기 전도성 하우징 내에 장착하고, 상기 수소 이온 전극에 전기적 접촉 수단을 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 이리듐 산화물 및 고분자 수지의 복합 재료로 이루어진 수소 이온 전극의 제조 방법.The manufacturing method further comprises the step of mounting the heat-molded hydrogen ion electrode in a non-electrically conductive housing and connecting electrical contact means to the hydrogen ion electrode. Method for producing a hydrogen ion electrode consisting of.
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