[发明专利]具有离子液体电解质系统的电化学气体传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求分别于2008年12月1日提交的德国专利申请10 2008 044 238.0和10 2008 044 239.9的优先权，通过引用将其公开内容并入本文。

发明背景

气体传感器的基本测定元件是电化学电池，其包括经由电解质(即离子导体)相互接触的至少两个电极。在电池通向大气的一侧上，待分析气体可以流到其中一个电极(工作电极或传感电极)，并在该处得到电化学转化。由该转化产生的电流与所存在的气体的量成正比。由电流产生例如可用于提供警报的信号。文献中描述了各种电解质系统。硫酸是一种最常用的电解质，用于常用气体如CO、H₂S或O₂的传感器中。例如，参考美国专利3,328,277。

包含中性或碱性无机盐作为导电盐的含水电解质也已经被描述用于仅在中性电化学介质中具有足够反应性的待分析气体。例如，参考美国专利4,474,648和德国专利DE 4238337。

上述电解质系统是吸湿性的(即，它们可从周围环境吸收水)。吸湿性电解质可期望用于干燥或低湿度环境中以延迟电池的干燥。然而，在高湿度环境中，吸湿性电解质可吸收过多的水而致使电解质从传感器电池中泄露。为了防止电解质泄露，传感器电池通常包括约5至7倍于其电解质填充体积的额外体积或储备体积。包括这种大储备体积与减小传感器电池总体尺寸的一般目的不符。

在大量传感器中，使用其中混有导电盐以确保离子导电性的有机液体作为电解质来限制高湿度环境中的吸水。例如，参考美国专利4,169,779。然而，在高相对湿度下的优点在低湿度和/或高环境温度下变成缺点，这是因为蒸发的溶剂不可能从气氛中被再次吸收，因此从传感器电池中失去而不能回收。

离子液体(IL)也已经用作电解质。离子液体被定义为熔点低于100℃的液体盐。离子液体的盐状结构导致不存在可测定的蒸气压。离子液体的性质变化很大，并取决于例如存在于离子液体中的有机侧链的类型和数目以及其中的阴离子和阳离子。熔点低于-40℃的离子液体也是可用的。许多离子液体既是化学稳定的也是电化学稳定的，并且具有高的离子导电性。大量离子液体在可测定条件下不是吸湿性的。这种性质使离子液体成为电化学气体传感器中的良好电解质。

离子液体在气体传感器中的使用首先被描述用于高二氧化硫浓度。Cai等人，Journal of East China Normal University(Natural Science)，article number 1000-5641(2001)03-0057-04。离子液体在气体传感器中作为电解质的用途也已公开于例如英国专利GB 2395564、美国专利7,060,169和公开的德国专利申请DE 102005020719中。GB 2395564一般性描述离子液体作为电解质的用途。美国专利7,060,169公开了纯咪唑盐和吡啶盐作为离子液体电解质的用途。公开的德国专利申请DE 102005020719公开了形成开放式气体传感器而无需扩散膜的可能性。这种技术在小型化传感器中的使用潜力在公开的德国专利申请DE 102004037312中描述。

尽管离子液体在各种气体传感器中用于替代传统(气态)电解质，但是考虑很少或没有考虑如下事实：传统(气态)传感器系统经常进行二次反应以提高其对特定待分析物的灵敏性或选择性。这种作用的例子可见于例如欧洲专利EP 1 600 768、美国专利6,248,224和公开的德国专利申请DE 102006014715中。

离子液体中的化学过程与在气态或有机系统中的化学过程根本不同，并且离子液体中的化学过程尚未得到充分表征。例如，参考P.Wasserscheid，Angew.Chem.2000，112，3926-3945和K.R.Seddon，Pure Appl.Chem.Vol.72，No.7，1391-1398页，2000。

传感器性能的位置或取向依赖性对于电化学气体传感器而言也是重要的。利用玻璃纤维或硅酸盐结构固定液体电解质以形成准固态电解质改善位置依赖性。利用准固态电解质，防止反应产物和电解质迁移穿过传感器而不能沉积到传感位点上(例如在工作电极或参比电极上)。另外，不存在由于电极之间的浸出过程导致的耗尽，其有助于使传感器电池小型化。利用常规电解质形成的准固态电解质系统在例如美国专利7,145,561、7,147,761、5,565,075和5,667,653中公开。其中描述的系统提供改善的响应时间，并且允许紧凑的设计，但是表现出与常规的吸湿性电解质有关的缺点。