控制電位電解式CO傳感器初探—新課標高中化學電解知識拓展

王維臻 王明召

控制電位電解式CO傳感器初探—新課標高中化學電解知識拓展

王維臻 王明召

含碳物質在不完全燃燒時，會產生CO。CO進入人體后，會搶先占據血紅蛋白與氧氣的結合位點與血紅蛋白結合，從而引起機體組織缺氧，嚴重時導致人窒息死亡。但是，CO氣體無色、無氣味，不易被覺察。因此，開發出靈敏的CO檢測儀器具有重要的意義。可用傳感器來檢測CO，目前較多采用半導體式傳感器和電化學式傳感器。其中，電化學式CO傳感器以Bay和Blurton提出的控制電位電解法為基礎，在重現性、功耗、安全性等方面具有優勢。

一、基本原理

控制電位電解傳感器測定CO的一種簡單裝置示意于圖1，該體系使用硫酸為電解質。控制電位電解CO，指保持陽極（常稱為工作電極）電位為一恒定值，使CO最大限度地在陽極氧化成CO2，同時將副反應控制在最低程度。陰極常稱為參比電極，氧氣在陰極上發生還原反應，同時與氫離子結合生成水。反應可表示如圖1所示：

圖1 控制電位電解傳感器測定CO的一種簡單裝置示意圖

二、電極材料與電解質

這種傳感器中的電極均為燃料電池所用氣體擴散電極。氣體擴散電極的優點在于它具有催化特性，同時又是多孔材料，可以增大電極材料表面與CO和電解質的接觸面積。以一種使用硫酸電解質的傳感器為例，擴散電極由導線、防水透氣膜和催化膜三部分組成，如圖2所示。

圖2 一種氣體擴散電極的結構示意圖

在這種氣體擴散電極中，防水透氣膜可看成“氣孔”，CO由此到達催化膜的催化劑表面；催化膜可看成“液孔”，電解液可以進入催化膜的微孔，與催化劑接觸；催化膜上的鉑黑催化劑則是“固相”，電化學反應在其表面進行。氣流（包括空氣和CO）擴散進入電極上，透過防水透氣膜到達催化膜。在催化劑作用下，CO與電解質中的H2O反應生成二氧化碳，同時釋放出電子。導線收集產生的電子，通過外電路傳遞到陰極。這一過程產生的H+在電解質中向陰極遷移，并參與陰極上的氧氣的還原反應，生成水。

兩個氣體擴散電極之間的電解質有多種類型。早期的傳感器采用液態電解質，多使用一定濃度的H2SO4溶液。H2SO4的一個缺點是當環境的濕度發生較大變化時，其體積變化較大，這影響傳感器的正常工作。另外，液體電解質傳感器的體積都較大，且都不可避免地存在泄漏等問題。為縮小體積，同時保證H+的遷移能力，后來較廣泛地使用半固態電解質，它由親水性的多孔材料浸泡在H2SO4中形成。近年來，傳感器的發展方向是徹底改善泄漏問題，最大限度縮小傳感器體積，因而人們開始重視研究固體電解質。在所研究的固體電解質中，Nafion膜材料以其特有的優勢最先引起人們的關注。

三、一種典型的固體電解質材料——Naf on膜

Nafion膜是全氟磺酸離子交換膜產品中的一個系列，基本骨架為聚四氟乙烯，支鏈為氟代的醚基，其末端帶有氟代磺酸基，分子式可表示為：

與C―H鍵（84 kJ?mol-1）相比，C―F鍵（485 kJ?mol-1）的鍵能高，因此更穩定。同時，氟原子的半徑比氫原子大，可以形成屏障，在一定程度上阻擋其他物質對C―C鍵的進攻。因此，Nafion膜具有較好的熱穩定性和化學穩定性。

Nafion膜泡在水中時，氟代磺酸基―SO2F水解為磺酸基―SO2OH。該基團具有親水性，可以使膜溶脹變松，形成微細的通道。該基團還可電離，帶負電荷的基團―SO2O-留在膜體上，離去的H+離子可以在通道中移動。這種結構如圖3 所示。

圖3 溶脹Nafion膜中的質子通道示意圖

Nafion膜穩定耐用，具有良好的離子傳輸功能，在CO傳感器領域，既可以用來構成半固體電解質，也可以用作固體電解質。但是，Nafion膜的使用也存在局限性。它的離子傳輸能力強烈依賴于含水量，同時受溫度影響較大。在含水量較低或者溫度較高時，它的電導性能明顯下降。另外，它的成本較高。目前，提高全氟磺酸質子交換膜的使用溫度，以及開發性能優良、成本低的質子交換膜來代替全氟磺酸膜，已成為研究熱點。

[1] Bay HWetal. Electrochemical measurement of carbon monoxide [J]. Amer Lab,1972,4（7）:57～58

[2] Bay HWetal. Electrochemical technique for the measurement of carbon monoxide [J].Anal Chem,1974,10（46）:1837～1839

[3] 高穎.電化學基礎[M].北京：化學工業出版社，2004

[4] Litster Setal.PEM fuel cell electrodes[J].J Power Sources,2004,130（2004）：61～76

[5] 傅其琛.電化學式一氧化碳傳感器的探識[J].中國環境監測，1997，13（3）：20～22

[6] 方度.全氟離子交換膜—制法、性能和應用[M].北京：化學工業出版社，1993

[7] 謝曉峰.質子交換膜的研究現狀與進展[J].膜科學與技術，2005，25（4）：44～50

稿件編號：P1103085

王維臻，在讀研究生。王明召，博士，副教授。

北京師范大學化學學院。

教育部實驗室共建項目，北京市教育委員會共建項目（編號：102～105834），北京師范大學教學建設與改革項目。