定电位电解型气体传感器

定电位电解式传感器属于电化学式传感器（Electrochemical Sensors）中电化学能式传感器类，又从属离子电池类传感器，通常用于气体检测，对还原性气体效果更明显，可检测氢气（H₂）、氨气（NH₃）、肼（N₂H₄）、二氧化硫（SO₂）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H₂S）等气体。定电位电解式传感器是目前气体检测中使用最广泛的主流传感器，是可用于库仑分析的传感器。由于定电位电解式传感器中产生电流，常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

用定电位电解型气体传感器检测不同气体时，有不同灵敏度。按灵敏度从高到低的排序，依次是H₂S、NO、NO₂、SO₂和CO。响应时间一般为几秒至几十秒，一般小于1min。定电位电解型气体传感器的寿命较短，最短只有半年，2、3年寿命已属较长，少数CO传感器可长达几年。

定电位电解式气体浓度传感器通过电极与被测气体发生电解反应，把化学能转换为电能，并产生电信号，其结构见图1。

在一个容器内，安装三个电极和两片透气膜，浸没在液体电解液中。三个电极分别称为工作电极（传感电极）、参比电极（参考电极）和对电极，简称W、R和C电极。

工作电极材料和电解质根据被测气体选择，电极材料通常是具有催化活性的金属，如金、铂和铑等贵金属。一般情况下，电极结构是在透气憎水膜上涂覆高纯度粉末状的电极材料。工作电极、对电极和液体电解液构成电解系统，被测气体在溶入电解液后，在电极发生电解，产生电流。液体电解液吸收被测气体，使其溶解。电解质本身不参与电化学反应，只起吸收被测气体，输送反应生成的离子作用。

透气膜，也称为疏水膜，用于覆盖并保护电极，滤除不需要的粒子，控制到达电极表面的气体量，防止液态电解质泄漏或燥结。透气膜通常采用低孔隙率材料，如特氟隆，制成薄膜。为控制到达电极表面的气体量，需要选择适当的薄膜孔隙尺寸。孔隙尺寸应能够保证有足量的气体分子到达工作电极。

由于两个电极上发生的反应使电极极化，电离子的生成和移动出现阻碍，工作电极和对电极之间的电势差难以维持恒定，阻碍反应继续进行。因此设置参比电极。参比电极在电解质中形成一个稳定的电化学电势即恒电位，克服因化学反应导致的电极极化现象，帮助电离子移动，便于电解过程持续进行。参比电极不参与电化学反应，故参比电极没有电流通过，从而保证了参比电极电势稳定在一定数值。检测不同气体时，需改变参比电极的设定电势。

定电位电解式气体浓度传感器的工作过程为：被测气体由进气孔穿过透气膜，扩散到工作电极表面，气体在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。由于参比电极上预先施加一定的电势，气体在该电势下进行氧化（如SO₂或CO等）或者还原（如NO₂）反应。施加给参比电极的电势，依反应性质、工作电极的热力学电势和被测气体的电化学性质而定。

被测气体为SO₂、CO、H₂S和NO等气体时，工作电极处为氧化反应，被测气体为NO₂和Cl₂等气体时为还原反应。氧化反应时，工作电极在外电路为低电势，参加反应或反应产生的电子经导线流出工作电极，在内电路中，生成正离子，流向对电极；还原反应时，工作电极在外电路为高电势，参加反应或反应产生的电子经导线流向工作电极，在内电路中，生成负离子，流向对电极。

工作电极与对电极之间的电势差可根据能斯特方程确定。通过选择合适的参比电极的电势，使参比电极与工作电极的电势差变化值与被测气体浓度成正比，或者使工作电极的电流与被测气体浓度成正比。影响电势或电流的因素有参比电极电势、电解溶液浓度和液面高度以及反应温度等。

在三电极定电位电解式气体浓度传感器中，输出信号为参比电极和工作电极之间的电势差。由于参比电极不参与反应，自身为恒定电势，因此电势差变化只和工作电极的电势变化有关，而这个变化反映了被测气体浓度的变化。

例如，用定电位电解式气体浓度传感器检测一氧化碳气体。在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体被氧化，反应产生的H⁺离子通过电解液转移到对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为

http://s10/bmiddle/001yQzp9gy6Lyd8RoMx59&690

http://s8/mw690/001yQzp9gy6Lydp7Lnh17&690

式中，E₀为一氧化碳氧化为二氧化碳反应的标准电动势，V。