应用电化学---第七章 电化学传感器.pptVIP

第七章 电化学传感器 Contents 传感器技术是一种人工感官技术。 传感器：把不容易检测的信息转化为可以方便检测的物理或者化学信号, 达到检测或使用这些信息的目的。 传感器：物理传感器、化学传感器 物理传感器：光、电、热、力、声音、压力、温度、速度等物理量。 化学传感器：检测对象是化学物质，例如测定物质的分子变化。 这就要求对特定分子有选择性，即传感器的材料必须具有识别分子的功能。 所以，当前传感器开发研究的重要之一就是开发具有识别分子功能的优良材料。 化学传感器依据其原理可分为： (1)电化学式，(2)光学式，(3)热学式，(4)质量式。 电化学传感器是化学传感器的一种。 电化学传感器分为电位型、电流型和电导型三类。 §7.1 电位型传感器 电位型传感器通过测定电极平衡电位的值来确定物质的浓度。 电位型传感器中，研究最多的是离子传感器，而离子传感器中研究得最多的是PH传感器，即电位-PH计（测定仪）。 离子传感器也叫离子选择性电极，响应于特定的离子，其构造的主要部分是离子选择性膜。因为膜电位随被测定离子的浓度而变化，所以通过离子选择性膜的膜电位可以测定出离子的浓度。 离子传感器由参比电极、内部标准溶液、离子选择性膜构成。内部标准溶液一般为含相同离子的强电解质溶液(0.1mol/kg) 有的传感器不用内部标准溶液，而是将金属和离子选择性膜直接相连。 参比电极，一般使用饱和甘汞电极或者Ag-AgCl电极。 如果电极膜对某种阳离子有选择性穿透的特性，当电极插入含有该离子的溶液时，离子进行交换改变了两相界面的电荷分布，从而在膜电极表面上产生电位。 电位的大小与溶液中离子活度有关。由能斯持方程得到： 同样，对于阴离子选择性的电极，则有如下的关系： 如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池，则电池电动势为： 根据7-3式，只要配制一系列已知浓度的标准溶液，并以测得的电动势E值与相应的浓度（对数）值绘制校正曲线，即可按相同步骤求得未知溶液中待测离子的浓度。 对于电位-PH计，只是把所有过程完成后，直接显示酸度。 §7.2 控制电位电解型(电流型)气体传感器 1．概述 气体的分析、检测是生产和生活中十分重要的工作。传统的检测方法存在不能现场实时监测、灵敏度低和繁琐复杂等不足，有的设备价格昂贵，超出一般检测单位的承受能力，所以其应用受到很大限制。有些分析方法，如半导体气敏传感器，灵敏度较低，重现性较差，只能用作报警器。 电化学式传感器既能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性，又具有体积小，操作简单，携带方便，可用于现场监测，且价格低廉等优点。所以，在目前已有的各类气体检测方法中，电化学传感器占有很重要的地位。 近些年来控制电位电解型(即电流型)气体传感器问世，其具有体积小，测量精度高，响应速度快 ，适用于现场直接监测等优点, 受到广泛重视。该类传感器可检测的气体种类多达数百种，可检测的气体浓度范围宽(由10-9数量级到百分浓度)．应用范围广, 是任何一种气体传感器所难以比拟的。 电流型电化学气体传感器有许多种已经商品化，用于检测20余种气体。例如，煤矿瓦斯、酒精、锅炉尾气（排放是否达标、燃烧是否充分）等等。 2．控制电位电解型(电流型)气体传感器的工作原理 （1）通过测定一定电位下的电流，间接测定电解质溶液中待测气体的溶解浓度 （2）待测气体在一定条件下在这种电解质溶液中的溶解度与其分压相关，从而得到这种气体的浓度（分压）。 当然，这里需要解决的问题很多，比如电解质溶液的选择（快速溶解平衡、稳定的物理化学性能）、反应电极参比电极、对电极的选择等等。 （3）电流型气体传感器的工作过程： a. 被测气体进入传感器的气室 这可以通过气体的自由扩散完成，也可以通过机械泵入。气体可以直接进入传感器，也可以先经过一个过滤器。过滤器的作用是保护传感器，滤去被测气体中的颗粒物体并提高传感器系统的选择性（通过滤掉有电活性的干扰气体或者由化学反应将这此气体转变成宜于检测的形式。 b. 反应物从气室扩散到工作电极前面的多孔膜，并向电极—电解液界面扩散 控制电位电解型气体传感器的工作电极一般不直接暴露在外面，待测气体必须通过多孔膜向工作电极扩散，该扩散过程可以用Fick扩散定律来表达。 这个多孔界面通常是由高聚物或无机材料组成，例如，多孔聚丙烯膜，或聚硅酮薄膜：它具有多种功能，能防止传感器的漏液现象，可以给电极制备提供结构支持，并再一次为传感器提高选择性提供了可能。 c. 电活性物质在电解液中溶解 物质穿过气液界面的速度和气体在电解液中的溶解速度影响着传感器的响应灵敏度和响应时间。 d. 电活性物质在电极表面吸附 电流型气体传感器的工作原理是待检测