電化學(xué)毒氣傳感器的工作原理

電化學(xué)傳感器是目前較為常見(jiàn)的有毒有害氣體檢測(cè)元件。與其他檢測(cè)原理的氣體傳感器（半導(dǎo)體氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、紅外氣體傳感器等）相比較而言，電化學(xué)傳感器具有選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、性能穩(wěn)定、耗電低、線(xiàn)性和重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前的氣體快速檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

 

一般說(shuō)來(lái)，電化學(xué)氣體傳感器包括下面幾部分：可以滲過(guò)氣體但不能滲過(guò)液體的擴(kuò)散式防水透氣膜；酸性電解液（一般為硫酸或磷酸）槽；工作電極；對(duì)電極；參比電極（三電極設(shè)計(jì)）；有些傳感器還包括一個(gè)可以濾除干擾組份的濾膜。

擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氣體在工作電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對(duì)電極發(fā)生與之相應(yīng)的逆反應(yīng)，在外部電路上形成電流。由于氣體進(jìn)入傳感器的速度由柵孔控制，所以產(chǎn)生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測(cè)量當(dāng)前毒氣含量。

 

為了讓反應(yīng)能夠發(fā)生，工作電極的電位必須保持在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。但氣體的濃度增加時(shí)，反應(yīng)電流也增加，于導(dǎo)致對(duì)電極電位改變（極化）。由于兩電極是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)荷電阻連接起來(lái)的，雖然工作電極的電位也會(huì)隨著對(duì)電極的電位一起變化。如果氣體的濃度不斷地升高，工作電極的電位 很終有可能移出其允許范圍。至此傳感器輸出信號(hào)將不再呈線(xiàn)性，因此兩電極氣體傳感器檢測(cè)的上限濃度受到一定限制。

 

對(duì)電極的極化所受的限制可以用引進(jìn)第三電極（參考電極）和利用一外部的恒電位工作電路來(lái)予以避免。在這樣一種裝置中，參考電極中無(wú)電流流過(guò)，因此這兩個(gè)電極均維持在一恒定的電位。對(duì)電極則仍然可以進(jìn)行極化，但對(duì)傳感器而言已不產(chǎn)生任何限制作用。因此三電極傳感器所能檢測(cè)濃度范圍要比兩電極大得多。

 

下面以一氧化碳電化學(xué)傳感器為例描述一下它的檢測(cè)機(jī)理。

CO 在工作電極上的氧化：

CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e對(duì)電極通過(guò)將空氣或水中的氧氣還原對(duì)此進(jìn)行平衡。

1/2 O2 + 2H+ +2 e- → H2O

傳感器中總的反應(yīng)就可寫(xiě)成：

2CO + O2 → 2CO2

 

在檢測(cè)過(guò)程中消耗的物質(zhì)僅僅是 CO 分子、電能和氧氣，這也是非消耗型傳感器壽命較長(zhǎng)的原因。傳感器的壽命同它所測(cè)量污染物無(wú)關(guān)，在檢測(cè)過(guò)程中傳感器本身沒(méi)有任何的消耗，其它氣體電化學(xué)傳感器也同樣是這種非消耗型設(shè)計(jì)，包括：氯氣、氫氣、硫化氫、二氧化氮、磷化氫和二氧化硫等等。有些有毒氣體（如氨和氰化氫）的測(cè)定使用的是間接方法，它通過(guò)消耗傳感器中的物質(zhì)，比如金的傳感電極，來(lái)建立某種測(cè)量關(guān)系。

 

2HCN + Au → HAu(CN)2 + H+ + e在這種情況下，由于測(cè)量會(huì)消耗電極材料，這類(lèi)傳感器的壽命同它所暴露的濃度有很大的關(guān)系，所以這一類(lèi)傳感器不適用于高濃度環(huán)境或者長(zhǎng)時(shí)間暴露環(huán)境。