[发明专利]一种基于光电耦合效应的电化学传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光电耦合效应的电化学传感器及其制备方法，该电化学传感器包括YSZ固体电解质层、加热片、参比电极和三个敏感电极。三个敏感电极分别为第一敏感电极、第二敏感电极和第三敏感电极，第一敏感电极的材料为氧化锌，第二敏感电极的材料为氧化锌和氧化铁的混合物，氧化锌和氧化铁的混合物中，氧化铁质量为氧化锌质量的20％；第三敏感电极的材料为氧化锌和氧化铈的混合物，氧化锌和氧化铈的混合物中，氧化铈质量为氧化锌质量的30％，参比电极的材料为二氧化锰；优点是在保证不缩短使用寿命的基础上，使用易于获取的材料制备，灵敏度较高，且可通过光照调整传感器对不同气体的光电耦合效应，实现对多种气体高效识别，选择性强。

技术领域

本发明涉及一种电化学传感器，尤其是涉及一种基于光电耦合效应的电化学传感器及其制备方法。

背景技术

电化学传感器已经广泛应用于空气质量监测、减少废气排放和医疗保健等领域。现有的电化学传感器种类繁多，其中，基于氧化锆(YSZ)的化学传感器能够在高湿度和高温(≥450℃)等恶劣环境下持续保持1200小时工作不被破坏，得到了相当大的关注。

目前，基于氧化锆的化学传感器主要包括从上到下排布的电极层、固体电解质层和加热片，固体电解质层的材料为氧化锆，加热片的材料为氧化铝，固体电解质层和加热片为形状大小相同的立方体型，固体电解质层贴合固定在加热片上，电极层包括三个敏感电极和一个参比电极，三个敏感电极和一个参比电极均为立方体型，三个敏感电极和一个参比电极分布在固体电解质层的上表面上，三个敏感电极和一个参比电极的中心连线形成四边形。现有的电化学传感器是通过敏感电极与被测气体发生反应并产生与被测气体浓度成正比的电信号来工作。由于电化学传感器产生的电信号是通过敏感电极与被测气体发生反应而生成的，敏感电极的材料直接决定了敏感电极与被测气体是否能充分快速的发生反应，由此，敏感电极材料的筛选是制备传感器的关键技术。在电化学传感器工作过程中，敏感电极与被测气体的接触有限，由此会导致制备敏感电极的材料不能发挥其本身所有的优势，导致电催化活性弱，以致电化学传感器的灵敏度低。

为了提高电化学传感器的灵敏度，研究人员主要从以下两个方面进行了研究：探寻更多的电活性敏感材料来制备敏感电极和通过蚀刻固体电解质层来增加反应位点。但是，现有领域中的电活性敏感材料已被广泛应用，未知的性能更好的电活性敏感材料的探寻耗时且低效，获取周期长且获取成本高；而通过蚀刻固体电解质层的方式虽然可以一定程度上提高电化学传感器的灵敏度，但是该种方式会缩短电化学传感器的使用寿命。如何在保证不缩短使用寿命的基础上，使用易于获取的材料来提高电化学传感器的灵敏度成为目前亟待解决的问题。

近期，有相关报道提出采用具有光催化活性的氧化锌来制备敏感电极，采用光催化方式来激发制备敏感电极的氧化锌光催化活性，使其与气体产生反应由生成感应信号输出。目前，我们将这种传感器称为基于光电耦合效应的电化学传感器。该电化学传感器在不缩短使用寿命的基础上，使用氧化锌材料来制作，灵敏度较高。但是，该电化学传感器存在以下问题：一、氧化锌材料存在光腐蚀的问题，该电化学传感器长时间工作在光照中稳定性会逐步降低，可靠性不高；二、氧化锌对二甲苯，三甲基苯，乙苯和甲苯这几种测试气体的催化活性程度类似，当待测混合气体中含有这几种气体中的两种以上时，不能够分离这几种气体，选择性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种在保证不缩短使用寿命的基础上，使用易于获取的材料制备，灵敏度较高，且可通过光照调整传感器对不同气体的光电耦合效应，实现对多种气体高效识别，选择性强的基于光电耦合效应的电化学传感器。