[发明专利]电化学气体传感器电极的制备方法及电化学气体传感器

说明书

本发明涉及电化学传感器电极的制备方法及电化学传感器。电化学气体传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，三个电极中至少对电极和参比电极由以下方法制备，制备方法包括以下步骤：1)将铂黑和纳米二氧化铈混合，二者质量比为4:1；2)加入去离子水和粘结剂，搅拌均匀后形成电极浆料；3)将电极浆料印刷在防水透气膜上，200℃处理30min，形成电极。在电化学气体传感器的电极中加入二氧化铈，能够在其所在缺氧条件下释放氧，而在富氧条件下存储氧。而且具备卓越的对析氧反应的催化活性，可以降低对电极中贵金属催化剂的使用。在一些难以被氧化的气体的电化学传感器上使用，不仅可以大大降低响应/恢复时间，还可以降低贵金属催化剂的使用。

技术领域

本发明涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种电化学传感器电极的制备方法及电化学传感器。

背景技术

用于检测氧化性气体(如二氧化氮)或还原性气体(如一氧化碳)的电化学气体传感器，通常具有一个工作电极、一个参比电极、一个对电极，以及一个允许气体扩散进入工作电极的入口。上述三个电极均与电解质接触，目标检测气体在工作电极处被氧化或还原，所产生的离子通过电解质扩散到对电极，并在此处被还原或者氧化。氧化或还原反应所产生或消耗的电子在外电路形成电流，此电流和目标检测气体的浓度成比例。通过测量电流的强度，可以最终测定目标气体在混合气体中的浓度。参比电极没有电流流过，并通过与外界恒电位器连接而产生恒定的电位以稳定工作电极的电位，以防止传感器的信号漂移。

如果使用电化学传感器通过把目标气体氧化以对其进行探测(如一氧化碳)，则在对电极不可避免地需要氧气参与发生还原反应(ORR)，以消耗在工作电极产生、通过外电路传导过来的电子而产生电流。因此，特别重要的是，此种电化学传感器在检测目标气体时的工作环境气氛中须有氧气存在，以满足对电极对氧气的消耗。如果环境气氛中没有氧气，传感器则会在对电极消耗完电解液中溶解的少量氧气后，因还原半反应无法完成而导致问题。大多数的此类传感器在其工作时，周围环境气氛中都有氧气存在。然而，目前已然存在、并且越来越多的应用场景需要检测此类目标气体，却因场景须是无氧条件而导致电化学气体传感器无法使用。

如果使用电化学传感器通过把目标气体还原以对其进行探测(如二氧化氮)，则在对电极将发生水的氧化反应而析出氧气，以提供电子给工作电极在还原目标气体时消耗。然而，氧析出反应(OER)的反应机制涉及多个电子转移过程，动力学缓慢，这便对对电极在此反应上的催化性能提出了较高的要求。目前，多采用碳负载铂、钌、铱等贵金属作为对电极的催化剂材料，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电化学气体传感器电极的制备方法，一方面能够在对还原性气体(如一氧化碳)具有探测需求的无氧环境下工作，另一方面能够在不降低甚至提高对电极对氧析出反应的催化性能的前提下降低贵金属的使用量，从而降低传感器成本；同时，本发明的目的还在于提供一种使用上述电极的电化学气体传感器。

为实现上述目的，本发明的电化学气体传感器电极的制备方法采用如下技术方案：电化学气体传感器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将铂黑和纳米二氧化铈混合，二者质量比为4:1；

2)加入去离子水和粘结剂，搅拌均匀后形成电极浆料；

3)将电极浆料印刷在防水透气膜上，200℃处理30min，形成铂黑-二氧化铈复合电极。

在步骤1)中加入碳黑，铂黑、纳米二氧化铈和碳黑三者的质量比为4:1:6。

步骤2)中粘结剂采用超疏水性粘结剂，粘结剂包括氟聚合物树脂乳液、全氟离子交换溶液二者其中的一种、或者二者的混合物，且电极浆料中粘结剂与步骤1)中混合粉末的质量比为8:1-10:1。

本发明的电化学气体传感器采用如下技术方案：电化学气体传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，三个电极中至少对电极和参比电极由以下方法制备，制备方法包括以下步骤：