專利名稱：一種甲醛氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，特別是一種甲醛氣體傳感器。
背景技術(shù)：
目前市場上的便攜式甲醛檢測儀主要采用電化學(xué)傳感器法，工作原理是甲醛經(jīng)電 極催化反應(yīng)后產(chǎn)生的極限擴(kuò)散電流與甲醛濃度成正比，檢測電流強(qiáng)度就能測得甲醛濃度。 大多數(shù)氣體傳感器均采用采用純的貴金屬(Pt、Au等)作為工作電極、濃硫酸作為電解質(zhì)溶 液。純的貴金屬作為工作電極，生產(chǎn)成本高，催導(dǎo)性能不好，檢測靈敏度差；而濃硫酸具有很 強(qiáng)的腐蝕性，因此電極材料和電解池容易受到腐蝕，使用壽命不長。另外，由于濃硫酸吸水 性強(qiáng)，電導(dǎo)率容易變化，導(dǎo)致檢測結(jié)果不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是要提供一種甲醛氣體傳感器，該傳感器設(shè)計(jì)了“六通道隔室化” 的樣品采集池，采用納米鉬/碳纖維紙復(fù)合材料作為工作電極，設(shè)計(jì)了多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚 氨酯結(jié)構(gòu)的電解池，并使用離子液體作為電解質(zhì)溶液。本發(fā)明“六通道隔室化”的樣品采 集池既能讓所采集的氣體盡可能完全進(jìn)入樣品收集裝置，又使所采集的氣體完全擴(kuò)散進(jìn)入 電解池與催化劑充分接觸并發(fā)生氧化還原反應(yīng)，保證了傳感器測量的高穩(wěn)定性和快響應(yīng)速 度。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，所述一種甲醛氣體傳感器，它包括工作電極薄片、電解液， 其特征是在頂部加蓋密封的碗狀樣品采集池內(nèi)，其底部設(shè)有若干交錯(cuò)的橫條，進(jìn)氣口設(shè)于 樣品采集池一側(cè)的下部，出氣口設(shè)于對(duì)側(cè)的上部；在樣品采集池中部位置取兩個(gè)小孔引入 兩根鉬金絲電極導(dǎo)線；兩端封有納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片的多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚 氨酯電解池被注入離子電解液，然后被嵌入樣品采集池中部位置，并被夾在兩根鉬金絲電 極導(dǎo)線中間；甲醛氣體從進(jìn)氣口注入，經(jīng)交錯(cuò)的橫條擴(kuò)散后，通過電解池從出氣口排出。本發(fā)明所述采集池底部設(shè)有五支交錯(cuò)的橫條，形成六通道隔室；采集池主體部份 由聚四氟乙烯材料制成。本發(fā)明所述納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片是將碳纖維紙裁剪為4 cmX4 cm 的大小，在400°C下高溫?zé)崽幚? h，取出后浸泡在98%濃硫酸中2 h，取出用去離子水沖洗 至PH值為7，干燥；將干燥后碳纖維紙放置于0.01 mol/L的氯鉬酸溶液中，在5 V的電位 條件下，通過電沉積技術(shù)將納米鉬沉積在碳纖維紙表面，沉積時(shí)間為2 h。本發(fā)明所述多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚氨酯電解池，是由800 mg聚氨酯熔于40 mL水所形 成的溶膠作為成型原料，加入40 mg碳酸氫銨作為發(fā)泡劑，攪拌均勻后，利用加樣槍吸取2 mL滴于納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片上，放入烘箱40 °C干燥5 min，待溶膠轉(zhuǎn)化為 凝膠時(shí)將另一面用相同的納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片封住，置入烘箱120 °C干燥 2 h，自然干燥后取出。本發(fā)明所述離子電解液采用百分百的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIm][BF4])離子液體；用微量進(jìn)樣器將200 mL離子液體注入兩端封有工作電極薄片的電解 池構(gòu)建整個(gè)電極單元，將組裝好的電極單元裁剪為直徑1 cm的圓片，嵌入樣品采集池的兩 根鉬金絲電極引線中，加蓋密封及構(gòu)成甲醛氣體傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)納米鉬/碳纖維紙復(fù)合電極放置于凝膠表面時(shí)，電極薄片能 吸咐一定量的聚氨酯凝膠，隨著溫度的升高凝膠逐漸固化為固體狀態(tài)，此時(shí)的復(fù)合電極就 牢固地固定在了電解池表面，同時(shí)發(fā)泡劑在高溫下分解，在電解池的內(nèi)部形成孔隙，即聚 氨酯電解池的制備中電解池的形成、電極薄片的固定與多孔結(jié)構(gòu)的形成是一步完成的，這 樣既可以避免復(fù)雜的操作工藝所帶來的雜質(zhì)，又可以保證電解池的良好容積率。離子液 體與典型的有機(jī)溶劑不一樣，在離子液體里沒有電中性的分子，100%是陰離子和陽離子， 在-100 oC-200 °C之間均呈液體狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性和超強(qiáng)的導(dǎo)電性。因此，采用 離子液體作為電解質(zhì)溶液，可以克服以往用濃硫酸的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以降低環(huán)境溫度的影 響。本發(fā)明的氣體采集效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、靈敏度高、使用壽命長、環(huán)境耐 受能力強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明甲醛氣體傳感器去掉蓋子后的結(jié)構(gòu)分散示意圖。圖2為沉積電位5 V時(shí)制備所得的納米鉬/碳纖維復(fù)合電極的顯微結(jié)構(gòu)圖，放大 倍數(shù)為10000倍。圖3為催化電流隨甲醛氣體濃度變化示意圖。圖4為催化電流隨檢測時(shí)間變化示意圖。圖5為催化電流隨環(huán)境溫度變化示意圖。圖中1.樣品采集池，2.工作電極，3.電解池；
11.五根交錯(cuò)的橫條，12.進(jìn)氣口，13.出氣口，14.兩根鉬金絲的電極引線。
具體實(shí)施例方式下面通過本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖1、2、3、4、5，作詳細(xì)說明如下
本發(fā)明所述一種甲醛氣體傳感器，如圖1所示，包括一個(gè)樣品采集池1、兩個(gè)工作電極 2、一個(gè)電解池3。該電解池中填充有電解質(zhì)溶液。請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D1所示，樣品采集池1采用聚四氟乙烯材料制備，樣品采集池內(nèi)底部有 五根交錯(cuò)的橫條11，將樣品池隔成六個(gè)通道。樣品采集池上還包括一個(gè)進(jìn)氣口 12、一個(gè)出 氣口 13、兩根鉬金絲的電極引線14。進(jìn)氣口 12處于樣品采集池一側(cè)的下部，出氣口處于對(duì) 側(cè)的上部，在中部位置取兩個(gè)小孔引入兩根鉬金絲的電極引線14，分別用于連接兩個(gè)工作 電極2至外部檢測電路。工作時(shí)，待測氣體從進(jìn)氣口注入，經(jīng)六通道的流路擴(kuò)散與工作電極 2反應(yīng)，通過出氣口 13排除。本發(fā)明“六通道隔室化”的設(shè)計(jì)是以氣體進(jìn)樣量和出樣量的大小、氣體在電解池中 的擴(kuò)散保留時(shí)間等為主要模擬參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助模擬氣體在電解池中的擴(kuò)散方式，利 用auto CAD和Matlab軟件建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算而得到的。模擬結(jié)果顯示，“六通道隔室化” 的樣品采集池既能保證所采集的氣體盡可能完全進(jìn)入樣品收集裝置，又能保證所采集的氣體完全擴(kuò)散進(jìn)入電解池與催化劑充分接觸并發(fā)生氧化還原反應(yīng)，保證了傳感器測量的高的 穩(wěn)定性和快的響應(yīng)速度。 請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D1所示，本發(fā)明中工作電極2采用納米鉬/碳纖維紙復(fù)合材料制成，其 制備過程為將碳纖維紙裁剪為4 cmX4 cm的大小，在400°C下高溫?zé)崽幚? h，取出后浸 泡在98%濃硫酸中2 h，取出用去離子水沖洗至中性，干燥后，將碳纖維紙放置于0. 01 mol/ L的氯鉬酸溶液中，在5 V的電位條件下，通過電沉積技術(shù)將納米鉬沉積在碳纖維紙表面， 沉積時(shí)間為2 h。為了研究電沉積的效果，采用掃描電子顯微鏡對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了表征， 請(qǐng)參見圖2所示，可以看出，采用該方法制得的納米鉬顆粒大小為20-30 nm，顆粒粒徑分布 均勻，分散性能良好。 請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D1所示，本發(fā)明中電解池3為多孔聚氨酯材料，其制備方法如下將800 mg聚氨酯熔于40 mL水所形成的溶膠作為成型原料，加入40 mg碳酸氫銨作為發(fā)泡劑，攪 拌均勻后，利用加樣槍吸取2 mL滴于納米鉬/碳纖維紙復(fù)合電極上，放入烘箱40 °C干燥 5 min，待溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠時(shí)將另一面用相同的納米鉬/碳纖維紙復(fù)合電極封住，置入烘箱 120 °C干燥2 h，自然干燥后取出。采用上述方法的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工 作電極2放置于凝膠表面時(shí)，電極薄片能吸咐一定量的聚氨酯凝膠，隨著溫度的升高凝膠 逐漸固化為固體狀態(tài)，此時(shí)的復(fù)合電極就牢固地固定在了電解池表面，同時(shí)發(fā)泡劑在高溫 下分解，在電解池的內(nèi)部形成孔隙，即聚氨酯電解池的制備中電解池的形成、電極薄片的固 定與多孔結(jié)構(gòu)的形成是一步完成的，這樣既可以避免復(fù)雜的操作工藝所帶來的雜質(zhì)，又可 以保證電解池的良好容積率。將兩端封裝有工作電極2的電解池3裁減成1 cm直徑的圓片，用微量注射器注入 200 mL 1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIm] [BF4])離子液體作為電解質(zhì)溶液，將其 嵌入到氣體采樣池1的兩根鉬金絲電極引線14中，加蓋密封，即構(gòu)建成本發(fā)明專利所提供 的甲醛氣體傳感器。本傳感器采用離子液體作為電解質(zhì)溶液，其優(yōu)點(diǎn)在于離子液體與典型的有機(jī)溶劑 不一樣，在離子液體里沒有電中性的分子，100%是陰離子和陽離子，在負(fù)100攝氏度至200 攝氏度之間均呈液體狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，可以保證在極端條件下電解質(zhì) 體系電子傳遞的穩(wěn)定性，而且腐蝕性小，不容易吸潮，克服了普通硫酸電解質(zhì)所固有的缺 點(diǎn)。因此，本傳感器使用壽命長，測量結(jié)果穩(wěn)定，可用于具有惡劣氣候條件的地區(qū)或環(huán)境進(jìn) 行甲醛氣體的檢測。為說明本發(fā)明所提供甲醛氣體傳感器的檢測性能，將傳感器的電極引線接入到電 化學(xué)工作站，給電極兩端加上5 V的電話，檢測不同條件下催化電流的強(qiáng)度。請(qǐng)參見圖3所示，其為本發(fā)明的傳感器所產(chǎn)生的催化電流強(qiáng)度隨甲醛氣體濃度的 變化曲線圖，當(dāng)甲醛氣體濃度在4 mg/m3 (ppb廣120 mg/m3 (ppb)范圍內(nèi)變化時(shí)，與催化電 流大小呈線性關(guān)系，說明本傳感器的最低檢測下限可到達(dá)4 ppb。而目前市面上所銷售的甲 醛氣體傳感器，其檢測限大都為PPm或亞ppm級(jí)，專利CN101349669A所公開的甲醛氣體傳 感器的最低檢測下限也僅到40 ppb,由此可見，本發(fā)明的甲醛氣體傳感器具有超高的靈敏 度，能適合于非常低濃度的甲醛氣體檢測。請(qǐng)參見圖4所示，其為本發(fā)明的傳感器對(duì)同一樣品在不同測量時(shí)間所測量到的催 化電流強(qiáng)度，從進(jìn)樣開始，每隔5 s記錄一次讀數(shù)。結(jié)果表明，本傳感器從5 s到180 s之間所測得的電流值非常穩(wěn)定，偏差小于2%，這說明傳感器具有很快的響應(yīng)時(shí)間(小于5 s)， 能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的快速檢測；同時(shí)，也能說明該傳感器在一定時(shí)間內(nèi)具很好的穩(wěn)定性，能實(shí)現(xiàn)連 續(xù)的在線監(jiān)測。請(qǐng)參見圖5所示，其為本發(fā)明的傳感器對(duì)同一樣品在不同溫度下所測量到的催化 電流強(qiáng)度，從結(jié)果中可知，從-10°C 80°C之間，隨著溫度的變化，催化電流變化幅度較小， 說明該傳感器受溫度干擾較小，可實(shí)現(xiàn)較寬溫度溫度范圍下甲醛氣體的檢測。綜上所述，本發(fā)明提供的甲醛氣體傳感器具有氣體采集效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定 性好、靈敏度高、使用壽命長、環(huán)境耐受能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種甲醛氣體傳感器，它包括工作電極薄片、電解液，其特征是在頂部加蓋密封的 碗狀樣品采集池內(nèi)，其底部設(shè)有若干交錯(cuò)的橫條，進(jìn)氣口設(shè)于樣品采集池一側(cè)的下部，出氣 口設(shè)于對(duì)側(cè)的上部；在樣品采集池中部位置取兩個(gè)小孔引入兩根鉬金絲電極導(dǎo)線；兩端封 有納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片的多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚氨酯電解池被注入離子電解 液，然后被嵌入樣品采集池中部位置，并被夾在兩根鉬金絲電極導(dǎo)線中間；甲醛氣體從進(jìn)氣 口注入，經(jīng)交錯(cuò)的橫條擴(kuò)散后，通過電解池從出氣口排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種甲醛氣體傳感器，其特征是所述采集池底部設(shè)有五支交 錯(cuò)的橫條，形成六通道隔室；采集池主體部份由聚四氟乙烯材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種甲醛氣體傳感器，其特征是所述納米鉬/碳纖維紙復(fù)合 工作電極薄片是將碳纖維紙裁剪為4 cmX4 cm的大小，在400°C下高溫?zé)崽幚? h，取出后 浸泡在98%濃硫酸中2 h，取出用去離子水沖洗至pH值為7，干燥；將干燥后碳纖維紙放置 于0.01 mol/L的氯鉬酸溶液中，在5 V的電位條件下，通過電沉積技術(shù)將納米鉬沉積在碳 纖維紙表面，沉積時(shí)間為2 h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種甲醛氣體傳感器，其特征是所述多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚氨酯 電解池，是由800 mg聚氨酯熔于40 mL水所形成的溶膠作為成型原料，加入40 mg碳酸氫 銨作為發(fā)泡劑，攪拌均勻后，利用加樣槍吸取2 mL滴于權(quán)利要求3所述納米鉬/碳纖維紙 復(fù)合工作電極薄片上，放入烘箱40 °C干燥5 min，待溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠時(shí)將另一面用相同的 納米鉬/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片封住，置入烘箱120 °C干燥2 h，自然干燥后取出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種甲醛氣體傳感器，其特征是所述離子電解液采用百分百 的1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIm] [BF4])離子液體；用微量進(jìn)樣器將200 mL 離子液體注入兩端封有工作電極薄片的電解池構(gòu)建整個(gè)電極單元，將組裝好的電極單元裁 剪為直徑1 cm的圓片，嵌入樣品采集池的兩根鉬金絲電極引線中，加蓋密封及構(gòu)成甲醛氣 體傳感器。
全文摘要
本發(fā)明所述一種甲醛氣體傳感器，它包括工作電極薄片、電解液，其特征是在頂部加蓋密封的碗狀樣品采集池內(nèi)，其底部設(shè)有若干交錯(cuò)的橫條，進(jìn)氣口設(shè)于樣品采集池一側(cè)的下部，出氣口設(shè)于對(duì)側(cè)的上部；在樣品采集池中部位置取兩個(gè)小孔引入兩根鉑金絲電極導(dǎo)線；兩端封有納米鉑/碳纖維紙復(fù)合工作電極薄片的多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)的聚氨酯電解池被注入離子電解液，然后被嵌入樣品采集池中部位置，并被夾在兩根鉑金絲電極導(dǎo)線中間；甲醛氣體從進(jìn)氣口注入，經(jīng)交錯(cuò)的橫條擴(kuò)散后，通過電解池從出氣口排出。本發(fā)明的氣體采集效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、靈敏度高、使用壽命長、環(huán)境耐受能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N27/403GK102072929SQ20101055826
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者普旭力, 王鴻輝, 祝志宏, 紀(jì)效波, 董清木 申請(qǐng)人:廈門出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心