[发明专利]脉冲电位气体传感器

说明书

一种操作电化学气体传感器的方法，该电化学气体传感器包括至少一个包括电催化剂且具有至少2:1的总电化学可及表面积与几何表面积的比率的工作电极，该方法包括交替地多次偏置该至少一个工作电极的电位至电催化剂对于催化第一目标气体的氧化还原反应为活性的第一电位和不同于第一电位的第二电位，电催化剂在该第二电位下对于催化第一目标气体的氧化还原反应基本上是无活性的；测量由第一电位下第一目标气体的氧化还原反应产生的第一输出信号；和反褶积在至少一个工作电极偏置于第一电位时的第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的第一输出信号的一部分而测定第一目标气体的浓度。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年12月21日提交的美国专利申请系列No.14/976,034的利益，其公开内容通过引用合并于此。

背景技术

提供以下信息以帮助阅读者理解下面公开的技术和这样的技术可能通常应用于其中的环境。本文中使用的术语不旨在限制于任何特定的窄义解释，除非本文件中明确声明另外的情况。本文中给出的参考文献可有助于理解技术及其背景。本文中引用的所有参考文献的公开内容通过引用并入。

脉冲电化学技术是公知的。脉冲的伏安技术可以降低电化学分析中的检测限。在典型的电化学电池中，人们观察到两种类型的电流，其被称为“法拉第”和“非法拉第”电流。法拉第电流由一种化学物质至另一化学物质的电化学转化(或者氧化或者还原)而产生，且通过以下公式概括：

Ox+ne^-→Red (1)

公式(1)中的符号″e^-″代表在电化学转化中转移的电子且n是电子的数目。电化学转化中的转移电子导致在暴露于目标气体时由传感器产生的输出/信号电流。另一方面，非法拉第电流由非常靠近于电极表面的传感器的电解质中存在的离子的重排及其它过程如离子的吸附和解析产生。非法拉第电流不造成传感器的分析信号，而是导致在没有目标气体存在于在传感器信号中观察到的噪音。以上讨论适用于在恒定电位下操作的传感器。

在不存在目标气体的情况中，如果施加于传感器的工作电极的电位突然改变，非法拉第的瞬时电流会流入传感器中。这一电流具有指数时间依赖性且按照以下公式朝向零电流降低：

其中i_C是观察的电流(充电电流)，t是电位改变后的时间，E是电位改变的幅度，R_S是溶液电阻和C_WE是工作电极的电容(其直接取决于工作电极的电化学活性/可及面积)。这一行为显示于图1A中。

如果在目标气体存在时将电位变化应用于工作电极，且工作电极的电位使得目标气体发生法拉第反应(被氧化或还原)，则观察的电流通过以下公式提供：

i_T＝i_C+i_F (3)

其中i_T是充电电流i_C和法拉第电流i_F的总和。在电流型电化学传感器的情况中，i_F通常表示为：

在公式(4)中，n是参与电化学反应的电子的数目，F是法拉第常数，A是工作电极的电化学活性/可及面积，C是目标气体的浓度，D是目标气体的扩散系数，和x是目标气体必须扩散以到达工作电极的电化学活性表面经过的距离。公式(4)通过考虑菲克扩散定律获得。公式(4)表明法拉第电流直接取决于目标气体的浓度且被假定对时间不敏感，这是近似法。D/x的值(在实验的物理条件下菲克定律的解)总是时间依赖性的。但是，其值对于电流型电化学气体传感器快速达到稳态条件，且基本上是非时间依赖性的。