[发明专利]以SrMnO3为敏感电极的CeO2基丙酮传感器、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种以SrMnO₃为敏感电极的新型CeO₂基混成电位型丙酮(acetone)传感器、制备方法及其在大气环境或糖尿病酮症酸中毒检测中的应用。

背景技术

随着工业的不断发展，丙酮的应用也越来越普遍。丙酮在工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。丙酮，又名二甲基酮，为最简单的饱和酮。是一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味。易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等有机溶剂。易燃、易挥发，化学性质较活泼。由此可见，丙酮也是一种容易产生泄漏的工业原料。而且吸入丙酮超过一定浓度时，对人体是有危害的，可产生头晕、醉感、倦睡、恶心和呕吐等中毒现象，过高浓度甚至会导致失去知觉，昏迷甚至死亡。此外，在人体中，呼气丙酮属于挥发性有机成分，是正常的呼气组分之一，呼气丙酮值的变化与血糖、糖化血红蛋白测定水平具有一定的相关性。糖尿病人群中出现酮症酸中毒并发症的患者，其呼气中丙酮的含量要比健康人群高出2～6倍。由此可见，对于糖尿病患者呼气丙酮含量变化的测试可以利于早期发现酮症酸中毒并发症，并进行积极治疗，也可以实现对患者血糖水平进行无创的监测。同时，为了更加方便糖尿病患者的在宅诊断和病情监控，实现检测仪器的小型化和低价格也是应该努力的方向。

目前，低浓度丙酮的选择性测量主要还是应用气质联谱和光谱等方法，由于精准度的要求还无法实现检测仪器小型便捷化，是不能满足患者实时自我诊断和监控要求的。而气体传感器体积小、价格低、灵敏度高、响应快速并且操作方便，是构建便携式丙酮检测仪的理想工具，因此检测低浓度丙酮的气体传感器成为现阶段气体传感器领域的研究热点。

在现阶段，CeO₂基固态离子导电体受到广泛关注，纯CeO₂在掺杂Sm₂O₃和Gd₂O₃等稀土氧化物之后，在中温区(约600～800℃)会具有较高的离子电导率和离子迁移数，比应用广泛的YSZ(钇稳定氧化锆)高1个数量级。而基于固体电解质YSZ和氧化物敏感电极的混成电位型传感器，工作温度超过800℃，在这样的高温下很难获得高灵敏度，难于实现对低浓度丙酮的检测。可见，CeO₂作为新型的固体电解质材料，有很大的潜在应用价值。

CeO₂基丙酮气体传感器的敏感机理是：丙酮气体通过敏感电极层向三相反应界面(TPB，气体、敏感电极材料和CeO₂板的交界面)扩散，在扩散过程中由于发生反应(1)，丙酮的浓度会逐渐降低，氧化物敏感电极的多孔性决定丙酮浓度的降低程度。在三相反应界面处，同时发生氧的电化学还原反应(2)和丙酮的电化学氧化反应(3)，反应(2)和(3)构成一个局部电池，当反应速率相等时，达到平衡，敏感电极上形成混成电位，它与参考电极的电位差作为传感器的检测信号。检测信号大小由电化学反应(2)和(3)的速率来决定，而反应速率取决于敏感电极材料的电化学和化学催化活性、电极材料微观结构(比如材料的多孔性、粒度、形貌等)。

反应式如下：

C₃H₆O+4O₂→3CO₂+3H₂O (1)

O₂+4e^-→2O^2- (2)

1/4C₃H₆O+2O^2-→3/4CO₂+3/4H₂O+4e^- (3)