[发明专利]基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法，该传感器主要用于室内CO气体的检测。

背景技术

一氧化碳（CO）是一种无色、无臭、无味的气体，空气中的一氧化碳通过呼吸系统进入人体与血液中的血红蛋白结合，其不仅降低血球携带氧的能力，而且还抑制、延缓氧血红蛋白的解析与释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者则可能危及人的生命。因此，对大气中（尤其是室内环境中）的一氧化碳检测尤为重要，必须开发出适于室内检测用的高性能一氧化碳气体传感器。市面上的CO传感器主要有电化学式和半导体式两种。电化学式气体传感器拥有很多优点，对检测气体有很好的选择性和较高的灵敏度。但是，这一类传感器造价高而且寿命短，同时由于这类传感器广泛使用液态电解质，其电解质溶液的泄漏可能会腐蚀器件。在使用过程中，溶剂含量因挥发和反应等因素发生变化，导致电解质的浓度改变，使器件失效。半导体式CO传感器主要是金属氧化物SnO₂气体传感器，其优点为灵敏度高、响应速度快、价格便宜、寿命长，但是这类传感器长时间使用后会发生零点漂移，敏感度下降的现象，而且需要高温工作，因此功耗高，且在检测CO这种可燃性气体时，一旦CO气体浓度达到爆炸极限，器件就有成为引爆源的危险。为了克服现有传感器的不足，必须开发高性能的新型CO气体传感器。

发明内容

本发明根据燃料电池的反应原理，目的在于提供一种新原理、新结构传感器，在常温下实现对CO的高灵敏度检测。具体涉及一种基于质子交换膜（Nafion）的燃料电池型CO传感器，由核心部分（1）与储水罐（2）组成；其中核心部分（1）从上至下依次由扩散帽（3）、活性炭过滤层（5）、一侧带有Pt敏感电极（7）和另一侧带有对电极（8）的Nafion膜（6）、集电层（9）组成，储水罐（2）为带有集电层卡槽（11）的储水槽（12），在扩散帽（3）上设置气体扩散孔（4），在集电层（9）上设置有给水孔（10），活性炭过滤层（5）安装在扩散帽（3）内，扩散帽（3）将活性炭过滤层（5）、Nafion膜（6）和集电层（9）压紧并固定和限位在集电层卡槽（11）上，扩散帽（3）与储水罐（2）间密封且绝缘。其结构示意图如附图1所示。

传感器的制作过程如下：

一、传感器外壳的设计与制作

1.制作导电的储水罐（2）、扩散帽（3）和集电层（9）；

其中，储水罐（2）包括集电层卡槽（11）和储水槽（12）；扩散帽（3）是一个中空的帽子状结构部件，顶部含有多个扩散孔（4），内部装有活性炭过滤层（5）；集电层（9）是一个带有给水孔（10）的薄片；

二、Nafion膜Pt电极的制备

利用化学沉淀法制备Nafion膜的Pt电极，其制作过程如下：

A.Nafion膜的预处理

(1)将Nafion膜置于H₂O₂溶液中（质量分数3～8%），水浴加热1～2小时（水浴温度50～100℃），取出后用去离子水冲洗3～5次；

(2)将上述步骤得到的Nafion膜放入H₂SO₄溶液（浓度0.2～1M）中水浴加热1～2小时，取出后用去离子水冲洗3～5次；

(3)将上述步骤得到的Nafion膜浸入去离子水中，水浴加热30～60分钟，取出后用去离子水冲洗3～5次；

(4)重复步骤（3）3～5次，从而得到处理过的Nafion膜，放入去离子水中密封保存。

B.Nafion膜Pt电极的制备

(1)将预处理过的Nafion膜在20～40℃下干燥；

(2)将烘干的Nafion膜固定在分隔池中间，如附图3所示，分离池由贵金属溶液槽（13）和还原剂溶液槽（14）组成，两槽间由Nafion膜（6）完全分隔；

(3)将H₂PtCl₆溶液（5～20mM）和NaBH₄溶液（40～70mM）分别加入到Nafion膜两侧的溶液槽中，常温下静置反应8～10小时，从而在接触H₂PtCl₆溶液一侧的Nafion膜（6）表面生长出一层厚度为5～20μm的Pt敏感电极（7）；

(4)调转Nafion膜（6）的方向，重复操作步骤（3），可在Nafion膜（6）的另一侧生长一层厚度为5～20μm Pt对电极（8）；