一种电化学氯气传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电化学氯气传感器。

背景技术：

由于氯气能与有机物和无机物进行反应生成各种氯化物，工业中常把氯气用于生产塑料、合成纤维、染料、农药、消毒剂和漂白剂等多种氯化物。同时氯气具有毒性，发生泄漏时，能够通过呼吸道侵入人体并溶解在粘膜所含的水分中，对上呼吸道粘膜造成损伤。目前，为了对氯气的浓度进行实时监测，判断是否发生了氯气泄露，现有技术中常使用甲基橙分光光度法来测氯气，通过在酸性溶液中，氯气置换出溴化钾中的溴，溴破坏甲基橙分子结构使其褪色，再使用分光光度法测定其褪色程度来确定氯气的含量，但是此方法操作复杂，耗时长，不能连续测量。

技术实现要素：

为了能够准确、快速测量出氯气的浓度，本发明提供一种电化学氯气传感器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电化学氯气传感器，包括壳体、电解液以及在所述电解液中形成离子导通的工作电极、参考电极和对电极，所述工作电极、所述参考电极和所述对电极均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述混合物包括催化剂和氟聚合物微粒。

本发明的有益效果是：电化学氯气传感器测量氯气浓度时，与外部电路连接，外部电路的输入分别与工作电极、参考电极和对电极连接，工作电极上的催化剂催化氯气在工作电极表面发生还原反应，对电极上的催化剂催化对电极表面发生氧化反应，工作电极表面的还原反应和对电极表面的氧化反应会在外部电路中产生电流，电流的强度与氯气的浓度成正比，通过对外部电路中的电流进行测量和处理，就能得到氯气的实时浓度值。本发明的电化学氯气传感器响应速度快，灵敏度高，测量结果准确。参考电极不参与氧化还原反应，电位维持恒定，用于使工作电极的电位工作在正确区域，能够保持传感器的灵敏度，使传感器具有好的线性，减少干扰气体的干扰。电极膜用于承载混合物，并且能够允许氯气分子通过，使氯气与工作电极上的催化剂充分接触，保证氯气充分反应。氟化物微粒为多孔结构，具有疏水、透气功能，能够促进氧化还原反应的进行。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述电极膜为聚四氟乙烯膜。

进一步：所述工作电极和所述参考电极上的所述催化剂包括碳。

进一步：所述工作电极和所述参考电极上的所述氟聚合物微粒为聚四氟乙烯微粒或全氟磺酸树脂。

进一步：所述对电极上的所述催化剂包括贵金属纳米材料。

进一步：所述贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种。

进一步：所述对电极上的所述氟聚合物微粒包括聚四氟乙烯微粒。

进一步：所述电解液为硫酸溶液或磷酸溶液。

进一步：所述硫酸溶液的浓度为4-10mol/l。

进一步：所述催化剂与所述氟聚合物微粒的质量比为1：1～10：1。

附图说明

图1为本发明实施例的一种电化学氯气传感器的结构剖视图；

图2为本发明实施例的一种电化学氯气传感器的外部电路图；

图3为本发明实施例的一种电化学氯气传感器的氯气响应曲线图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、壳体，2、工作电极，3、参考电极，4、对电极，5、储液槽，6、引脚，7、电解液，8、吸液材料条，9、第一吸液材料层，10、第二吸液材料层，11、第三吸液材料层，12、o型密封圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示为本发明实施例提供的电化学氯气传感器的结构，电化学氯气传感器包括壳体1、电解液7以及在所述电解液7中形成离子导通的工作电极2、参考电极3和对电极4，壳体1的顶部设置有透气孔，壳体1内设置有储液槽5，电解液7存储在储液槽5内，对电极4、参考电极3和工作电极2从下至上依次设置在储液槽5的上方。

对电极4与储液槽5之间设置有第一吸液材料层9，对电极4与参考电极3之间设置有第二吸液材料层10，参考电极3与工作电极2之间设置有第三吸液材料层11，第一吸液材料层9、对电极4、第二吸液材料层10、参考电极3、第三吸液材料层11和工作电极2从下至上依次压接在储液槽5上。对电极4为环形结构，第一吸液材料层9的中间部分与第二吸液材料层10的中间部分相接触，第二吸液材料层10的边缘与第三吸液材料层11的边缘相接触，第一吸液材料通过吸液材料条8与储液槽5内的电解液7连接。各吸液材料层中存储有电解液7，各吸液材料层相接触允许电解液7的毛细传输，电解液7提供各电极之间的离子电接触，并且当各吸液材料层中的电解液7含量不足时，通过吸液材料条8，能够将储液槽5中的电解液7传输到各吸液材料层，保持各吸液材料层中的电解液7的含量，确保各电极之间的离子导通，并且避免电解液7的流动，甚至造成漏液。

工作电极2的上表面与壳体1的内壁之间设置有o型密封圈12，o型密封圈12使氯气只与工作电极2直接接触，在工作电极2表面发生还原反应，同时避免氯气与其它电极或电解液7发生反应，影响测量结果。壳体1的底部设置有三个引脚6，三个引脚6分别与对电极4、参考电极3和工作电极2连接。第一吸液材料层9、第二吸液材料层10、第三吸液材料层11和吸液材料条8为玻璃纤维材料。

本发明实施例提供的一种电化学氯气传感器，包括壳体1、电解液7以及在所述电解液7中形成离子导通的工作电极2、参考电极3和对电极4，所述工作电极2、所述参考电极3和所述对电极4均包括电极膜和附着在所述电极膜上的混合物，所述混合物包括催化剂和氟聚合物微粒。

本实施例中，电化学氯气传感器测量氯气浓度时，与外部电路连接，外部电路的输入分别与工作电极2、参考电极3和对电极4连接，工作电极2上的催化剂催化氯气在工作电极2表面发生还原反应，对电极4上的催化剂催化对电极4表面发生氧化反应，工作电极2表面的还原反应和对电极4表面的氧化反应会在外部电路中产生电流，电流的强度与氯气的浓度成正比，通过对外部电路中的电流进行测量和处理，就能得到氯气的实时浓度值。本发明的电化学氯气传感器响应速度快，灵敏度高，测量结果准确。参考电极3不参与氧化还原反应，电位维持恒定，用于使工作电极2的电位工作在正确区域，能够保持传感器的灵敏度，使传感器具有好的线性，减少干扰气体的干扰。电极膜用于承载混合物，并且能够允许氯气分子通过，使氯气与工作电极2上的催化剂充分接触，保证氯气充分反应。氟化物微粒为多孔结构，具有疏水、透气功能，能够促进氧化还原反应的进行。

优选地，所述电极膜为聚四氟乙烯膜。

优选地，所述工作电极2和所述参考电极3上的所述催化剂包括碳。

优选地，所述工作电极2和所述参考电极3上的所述氟聚合物微粒为聚四氟乙烯微粒或全氟磺酸树脂。

优选地，所述对电极4上的所述催化剂包括贵金属纳米材料。

优选地，所述贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种。

优选地，所述对电极4上的所述氟聚合物微粒包括聚四氟乙烯微粒。

优选地，所述电解液7为硫酸溶液或磷酸溶液。

优选地，所述硫酸溶液的浓度为4-10mol/l。

优选地，所述催化剂与所述氟聚合物微粒的质量比为1：1～10：1。

具体地，工作电极2和对电极4上的反应原理如下：

工作电极2：cl2+2h⁺+2e^-→2hcl

对电极4：2h2o→o2+4h⁺+4e^-

总反应：2cl2+2h2o→4hcl+o2

氯气在工作电极2的表面发生还原反应，氯气得到电子被还原成氢氯酸，为平衡工作电极2的反应，对电极4上将水还原成氧气，同时产生一定的离子和电子，离子通过电解液7到达工作电极2，电子通过外部电路到达工作电极2，反应产生的电子数目与氯气浓度成正比，通过对外部电路的电流进行测量及处理，就能得到氯气的浓度值。

如图2所示，本实施例提供的一种外部电路，工作电极2、参考电极3和对电极4分别与图2中的w端、r端和c端连接。rf为负载电阻，当rf的值很小时，会增加噪音，但响应很快；当rf的值很大时，会减少噪音，但响应很慢。c1和c2能够减少传感器的信号噪声与电磁干扰。

将本发明的电化学氯气传感器先放置在空气中一分钟，在通入氯气四分钟，最终得到的响应电流曲线如图3所示，产生的响应电流的方向为负方向。

实施例1，工作电极2和参考电极3的制备方法：将质量比为1：1的碳与聚四氟乙烯微粒或全氟磺酸树脂混合，获得混合物，将所述混合物辗压、喷涂或印刷到电极膜上，获得工作电极2和参考电极3，电极膜可采用聚四氟乙烯膜。

实施例2，对电极4的制备方法：将质量比为10：1的贵金属纳米材料与聚四氟乙烯微粒混合，获得混合物，将所述混合物辗压、喷涂或印刷到电极膜上，贵金属纳米材料包括铂纳米材料、钌纳米材料和铑纳米材料中的至少一种，电极膜可采用聚四氟乙烯膜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。