Электрохимический твердотельный чувствительный элемент

Полезная модель относится к аналитическим приборам, а именно к сенсорам или чувствительным элементам состава газа. Данный чувствительный элемент может быть применен в качестве сенсора в газоанализаторах и индикаторах течеискателей для измерения концентрации и нахождения утечек различных газообразных веществ.
Известен датчик концентрации аммиака (RU 2038590, опубл. 27.06.1995), включающий подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой на основе полианилина, содержащего легирующую добавку, где в качестве легирующей добавки используются комплексы переходных металлов (например, хлоридный комплекс меди) или комплексы конденсированных ароматических соединений.
Данный датчик имеет хорошую чувствительность к газообразному аммиаку, но нечувствителен к другим газообразным в том числе и токсическим компонентам. Также не является достаточно стабильным во времени.
Известен датчик концентрации аммиака (RU 2133029, опубл. 10.07.1999). Техническим эффектом этого датчика является повышение чувствительности и селективности датчика по отношению к аммиаку в его смеси с другими газами.
Это достигается тем, что в датчике концентрации аммиака, включающем подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой на основе полианилина, содержащего модифицирующую добавку, с целью повышения чувствительности и селективности по отношению к аммиаку в качестве модифицирующей добавки использованы гетерополикислоты 2:18 ряда общей формулы H6+nP2W18-nMonO62 (n=0-18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли.
Датчики на основе полианилина применяются для контроля состава жидких и газовых сред. Однако неизвестно использование датчиков с чувствительным слоем, выполненным из полианилина, который содержит в качестве модифицирующей добавки гетерополикислоты 2:18 ряда общей формулы H6+nP2W18-nMonO62 (n=0-18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли для определения концентрации аммиака в парогазовых средах.
Данную полезную модель оптимально использовать для создания сенсоров на аммиак, однако выбор полимерной матрицы и данной конструкции самого датчика не позволяет использовать данную полезную модель для измерения и идентификации других газообразных компонентов.
Известен электрохимический элемент с твердым электролитом (RU 2037918, опубл.19.06.1995), содержащий ионопроводящий слой твердого электролита, расположенные по обе стороны от него токосъемные электроды в виде анода и катода, а также каталитически активное средство, расположенное со стороны одного из токосъемных электродов в контакте со слоем твердого электролита, при этом анод выполнен из цезия, твердый электролит выполнен из материала с катионной проводимостью.
Недостатком данного элемента является сложность в изготовлении, использование дорогостоящих каталитически активных материалов - благородных металлов с большим процентным содержанием, что приводит к удорожанию изделия, и по этой же самой причине ограничивает срок службы элемента из-за отравляемости каталитически активных компонентов загрязнителями.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в разработке электрохимического твердотельного чувствительного элемента для определения состава газа упрошенной конструкции без использования дорогостоящих каталитических материалов.
6
2
18
62
Данная задача достигается за счет того, что в электрохимическом твердотельном чувствительном элементе, включающем катод, анод, каталитически активный компонент, размещенный между ними, а также токоотводы, в качестве каталитически активного компонента используется углеродный материал толщиной 0,5-3,0 мм, пропитанный насыщенным водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу [HPWO], при этом функцию анода выполняет графитовая пластина толщиной 2,0-10,0 мм, функцию катода выполняет перфорированная металлическая пластина, которая может быть выполнена из нержавеющей стали, никеля или хрома с толщиной 0,3-1,0 мм и диаметром перфорации 2,0-5,0 мм.
Замена твердого электролита, а также каталитически активного средства, выполненного на основе платины или манганита лантана, использующихся в прототипе, на углеродный материал, пропитанный насыщенным водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, а также отсутствие необходимости обеспечения сквозной пористости для графитовой пластины и слоя каталитически активного средства, упрощает устройство, сохраняя его чувствительность и селективность. В качестве углеродного материала может использоваться слой спрессованного мелкодисперсного активированного угля или углеродной ткани.
Техническим результатом полученной полезной модели является упрощение конструкции.
Полезная модель поясняется фиг. 1, на которой представлен электрохимический твердотельный чувствительный элемент, где 1 - углеродный материал, 2 - графитовая пластина, 3 - перфорированная металлическая пластина, 4 - токоотводы, 5 - микроамперметр.
Электрохимический твердотельный чувствительный элемент включает углеродный материал (1), графитовую пластину (2), перфорированную металлическую пластину (3), токоотводы (4), микроамперметр (5).
Углеродный материал, пропитанный насыщенным водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, должен быть закреплен между графитовой пластиной 2 толщиной 2,0-10,0 мм и перфорированной металлической пластиной 3, которая может быть выполнена из нержавеющей стали, никеля или хрома с толщиной 0,3-1,0 мм и диаметром перфорации 2,0-5,0 мм. К графиту и перфорированной металлической пластине прикреплены токоотводы 4, которые подсоединены к микроамперметру 5 для измерения электрического тока.
6
2
18
62
Принцип действия электрохимического твердотельного элемента заключается в окислении кислородом воздуха легкоокисляемых газообразных веществ, в ходе чего в замкнутой цепи между нержавеющей пластиной и графитом возникает электрический ток, который регистрируется микроамперметром. Газообразные компоненты попадают через перфорированную нержавеющую пластину на поверхность углеродного материала, пропитанного водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющая формулу [HPWO]. Под действием газообразных компонентов происходит обратимое изменение заряда анионного комплекса с увеличением или уменьшением электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от концентрации газообразного компонента и его природы.
Технический эффект обеспечивается за счет:
- отсутствия в полезной модели дорогостоящих материалов,
- применения каталитически активного средства на основе гпк 2-18 ряда, вместо платины и манганита лантана.
Пример 1.
6
2
18
62
Была взята гетерополикислота 2-18 ряда, имеющая химическую формулу [HPWO], насыщенным водным раствором которой был пропитан мелкодисперсный активированный уголь, после чего последний спрессовали с образованием углеродной тонкой пластины толщиной 1,2 мм 1 (фиг. 1).
6
2
18
62
Углеродный материал, пропитанный гетерополикислотой 2-18 ряда, имеющей химическую формулу [HPWO], был закреплен между графитовой пластиной 2 толщиной 3,0 мм и перфорированной металлической пластиной 3, которая была выполнена из нержавеющей стали и имеет толщину 0,5 мм, а диаметр перфорации составил 2,5 мм. К графитовой пластине и нержавеющей пластине были прикреплены токоотводы 4 в виде электрических проводов, которые, в свою очередь, были подключены к микроамперметру 5. Показания микроамперметра, в отсутствии активных газообразных компонентов, 0 μА. Далее ячейку опустили в трехлитровую литровую емкость с воздушно-водородной смесью с концентрацией водорода 0,5 ppm и записали показания микроамперметра после того, как показания стабилизировались. Далее концентрацию водорода увеличили до 1,0 ppm и также записали показания после их стабилизации. Тоже самое повторили с концентрациями 10,0 ppm и 100,0 ppm. Значения зависимости силы тока от концентрации водорода представлены в таблице 1. Сняв последние показания, элемент вынули из емкости и дождались пока показания вернутся в нулевое значение.
Процесс каталитического окисления водорода в твердотельном элементе можно выразить следующими реакциями:
2
6
2
18
62
24
2
18
62
+6
-6
+5
-24
9Н+H[PWO]=Н[PWО]
24
2
18
62
2
6
2
18
62
2
+5
-24
+6
-6
H[PWO]+4,5O=H[PWO]+9HO
3
3
3
Пример 2. Измерения концентрации аммиака. После установления нулевых показаний на микроамперметре электрохимический твердотельный чувствительный элемент поместили в емкость 1 л с концентрацией паров гидрата аммиака 20 мг/м, после чего сняли показания микроамперметра. Аналогичным образом провели испытания с концентрацией 60 мг/м и 500 мг/м. Полученные показания зависимости силы тока от аммиака представлены в таблице 2.
Процесс окисления аммиака в твердотельном элементе можно выразить следующими реакциями:
3
6
2
18
62
24
2
18
62
2
+6
-6
+5
-24
6NH+H[PWO]=Н[PWО]+3N
24
2
18
62
2
6
2
18
62
2
+5
-24
+6
-6
H[PWO]+4,5O=H[PWO]+9HO
Таким образом, электрохимический твердотельный чувствительный элемент упрощенной конструкции, созданный без применения дорогостоящих каталитических материалов, не требующий электрического потребления тока, может быть использован в качестве газового сенсора.