基于铁/铌氧化物离子导体传感器的构建及性能研究
发布时间：2021-08-14 13:21
电化学传感器作为传感器的一个分支,是一种可以对化学成分进行分析并且产生与待测物质浓度呈比例关系的电信号的电化学分析系统,具有灵敏度高、检测迅速、专一性强、稳定性好和可微型化等优点,已经被广泛应用于工业生产、环境保护、医学诊断、生物工程等领域。相对于离子液体,固体离子导体以其良好的化学稳定性、热稳定性、宽的电化学窗口以及高的离子电导率等优点,已经被广泛应用于电催化、电化学电容器和固体可充电电池等领域。然而有关应用于电化学生物传感器的报道却非常少。对于电化学多巴胺传感器,虽然基于电子导体的电极和离子液体复合材料的电极已经被广泛研究,但是基于固体离子导体的电极尚未被研发。然而原理上,多巴胺的电化学氧化还原反应是伴随着两个质子和两个电子转移的反应,所以研发出基于固体离子导体的电极是目前乃至未来构建多巴胺和其他生物电化学传感器的新方向。另外,目前报道最多的电解质基型气体传感器主要是基于YSZ、LSGM和NASICON电解质材料,但这些传感器无法在室温条件下工作,并且性能也会随着湿度的增加而减弱,无法对呼出气体的浓度进行及时检测,限制了其在医疗检测上的应用,所以研发出可以在室温和高湿条件下具有高离...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电化学传感器组成框图。
图4.4a为传感器在室温和97%RH条件下,对0.005-1 ppm H2S的响应瞬态图。为了保证响应瞬态的一致性和均匀性,在不同浓度的H2S下采用相同的测量时间约为2分钟,并且用在H2S气体中最后一秒的响应电位信号值作为回归曲线的电位值。从图中可以很明显的发现,当器件置于0.005-1 ppm H2S气体浓度范围内时,响应值随浓度的增加而增大。值得注意的是,0.1 ppm和1 ppm的H2S的响应值为23.81 mV和67 mV,最低检测限为5 ppb,其响应值为15 mV。图4.4b展示的是响应值和0.005-1 ppm H2S气体浓度对数的线性关系图,从图中可以发现斜率分为两段,意味着在室温和97%RH条件下,0.005-0.05 ppm的灵敏度为3.4 mV/decade,0.1-1 ppm的灵敏度为40.97 mV/decade。对比之前报导的H2S传感器(表4.2),该器件在此条件下具有令人满意的传感性能。4.3.2.3 传感机制
混成电位型传感装置的传感过程主要是敏感电极层的气相多相催化反应和气体-敏感材料-电解质三相边界(TPB)的电化学催化反应。当传感器暴露于被测气体时,H2S气体通过La0.5Sm0.5FeO3敏感电极层到达TPB处,发生电化学反应。非均相气相催化反应(2H2S+3O2→2SO2+2H2O)使部分H2S气体在扩散过程中丢失。敏感电极层疏松多孔的结构将提高H2S的通过率,降低消耗,从而保证了更多的H2S气体参与电化学反应过程,产生高响应信号。不同浓度的H2S(空气)在TPB处同时发生半反应(1)和(2),在敏感电极处形成局部电池。当上述化学反应速率相等时,它们达到动态平衡,将敏感电极处的电极电位视为混成电位。极化曲线可以研究传感器的电化学阴极和阳极的反应程度,也可以验证传感器的传感机制是否遵循混成电位理论。图4.5a为我们制作的传感器分别在空气中和97%RH的0.05 ppm和1 ppm H2S中修正的极化曲线。传感器在阴极的反应可以由空气中测得的极化曲线获得,阳极的极化曲线是传感器在待测气体的极化曲线减去空气中的极化曲线。根据测得的极化曲线的阴极和阳极的交点来确定理论混成电势,通过对比理论估算的混成电势值(21 mV,66 mV)和实际测得电势响应值(20.5 mV,67.5 mV)验证了此传感器符合混成电位理论[29]。此外,该传感器在室温和97%RH条件下对H2S气体具有良好的响应和恢复特性。图4.5b为1 ppm H2S的响应恢复特性曲线,从图中可以得出响应时间和恢复时间(达到稳定值的90%)分别为55 s和147 s。4.3.2.4 重复性和选择性
【参考文献】：
期刊论文
[1]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[2]Sr0.9Y0.1CoO3--δ致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的制备及性能[J]. 何背刚,刘涛,管晋钊,程超. 硅酸盐学报. 2014(03)
[3]A selective voltammetric detection for dopamine using poly（gallic acid） film modified electrode[J]. Wei Song,Yu Chen,Juan Xu,Dan Bi Tian~* College of Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China. Chinese Chemical Letters. 2010(03)
[4]Y2O3稳定ZrO2材料的电导活化能[J]. 李英,谢裕生,陈运法,龚江宏,唐子龙,张中太. 无机材料学报. 2002(04)
[5]氧传感器及其在汽车中的应用[J]. 何锐,刘光葵,孙尧卿. 传感器技术. 1999(03)
[6]新型氧传感器及应用[J]. 宋国庆,刘红宇,李恒一,宋国欣. 黑龙江电子技术. 1999(03)
本文编号：3342541
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电化学传感器组成框图。
图4.4a为传感器在室温和97%RH条件下,对0.005-1 ppm H2S的响应瞬态图。为了保证响应瞬态的一致性和均匀性,在不同浓度的H2S下采用相同的测量时间约为2分钟,并且用在H2S气体中最后一秒的响应电位信号值作为回归曲线的电位值。从图中可以很明显的发现,当器件置于0.005-1 ppm H2S气体浓度范围内时,响应值随浓度的增加而增大。值得注意的是,0.1 ppm和1 ppm的H2S的响应值为23.81 mV和67 mV,最低检测限为5 ppb,其响应值为15 mV。图4.4b展示的是响应值和0.005-1 ppm H2S气体浓度对数的线性关系图,从图中可以发现斜率分为两段,意味着在室温和97%RH条件下,0.005-0.05 ppm的灵敏度为3.4 mV/decade,0.1-1 ppm的灵敏度为40.97 mV/decade。对比之前报导的H2S传感器(表4.2),该器件在此条件下具有令人满意的传感性能。4.3.2.3 传感机制
混成电位型传感装置的传感过程主要是敏感电极层的气相多相催化反应和气体-敏感材料-电解质三相边界(TPB)的电化学催化反应。当传感器暴露于被测气体时,H2S气体通过La0.5Sm0.5FeO3敏感电极层到达TPB处,发生电化学反应。非均相气相催化反应(2H2S+3O2→2SO2+2H2O)使部分H2S气体在扩散过程中丢失。敏感电极层疏松多孔的结构将提高H2S的通过率,降低消耗,从而保证了更多的H2S气体参与电化学反应过程,产生高响应信号。不同浓度的H2S(空气)在TPB处同时发生半反应(1)和(2),在敏感电极处形成局部电池。当上述化学反应速率相等时,它们达到动态平衡,将敏感电极处的电极电位视为混成电位。极化曲线可以研究传感器的电化学阴极和阳极的反应程度,也可以验证传感器的传感机制是否遵循混成电位理论。图4.5a为我们制作的传感器分别在空气中和97%RH的0.05 ppm和1 ppm H2S中修正的极化曲线。传感器在阴极的反应可以由空气中测得的极化曲线获得,阳极的极化曲线是传感器在待测气体的极化曲线减去空气中的极化曲线。根据测得的极化曲线的阴极和阳极的交点来确定理论混成电势,通过对比理论估算的混成电势值(21 mV,66 mV)和实际测得电势响应值(20.5 mV,67.5 mV)验证了此传感器符合混成电位理论[29]。此外,该传感器在室温和97%RH条件下对H2S气体具有良好的响应和恢复特性。图4.5b为1 ppm H2S的响应恢复特性曲线,从图中可以得出响应时间和恢复时间(达到稳定值的90%)分别为55 s和147 s。4.3.2.4 重复性和选择性
【参考文献】：
期刊论文
[1]无机钠离子电池固体电解质研究进展[J]. 徐来强,李佳阳,刘城,邹国强,侯红帅,纪效波. 物理化学学报. 2020(05)
[2]Sr0.9Y0.1CoO3--δ致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的制备及性能[J]. 何背刚,刘涛,管晋钊,程超. 硅酸盐学报. 2014(03)
[3]A selective voltammetric detection for dopamine using poly（gallic acid） film modified electrode[J]. Wei Song,Yu Chen,Juan Xu,Dan Bi Tian~* College of Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China. Chinese Chemical Letters. 2010(03)
[4]Y2O3稳定ZrO2材料的电导活化能[J]. 李英,谢裕生,陈运法,龚江宏,唐子龙,张中太. 无机材料学报. 2002(04)
[5]氧传感器及其在汽车中的应用[J]. 何锐,刘光葵,孙尧卿. 传感器技术. 1999(03)
[6]新型氧传感器及应用[J]. 宋国庆,刘红宇,李恒一,宋国欣. 黑龙江电子技术. 1999(03)
本文编号：3342541
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