离子液体电解质硫化氢气体传感器的研究

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电化学传感器具有灵敏度高、选择性好和电解质原料丰富等优点,一直以来受到了人们的广泛关注。但目前市场上销售的电化学传感器大多数采用水基电解液,存在高温环境易干燥,高湿环境易涨破等缺点。而且传统电化学传感器80%的体积用来装电解液,体积较大,不易实现小型化和阵列化的现代应用需求。因此,探索电解质新材料提升电化学传感器性能显得十分重要。近些年来离子液体因为优异的物化性能,在电化学研究中受到了广泛的应用。但目前将离子液体应用于硫化氢气体电化学传感器的研究较少。因此,本文针对硫化氢气体电化学传感器的缺点,使用纯离子液体代替传统溶剂,设计了可进行商业化的离子液体气体传感器。并从14种离子液体中筛选出有潜力应用于商业硫化氢气体电化学传感器的电解质。最后,对硫化氢气体在Pt电极上的反应过程进行了测试和分析。具体内容如下:(1)设计和制作了离子液体电化学气体传感器的结构,重点讨论了电化学气体传感器的作用原理和结构特点,制备出适合电化学气体催化反应的多孔气体扩散电极并对电极材料进行表征。制作的适合商业化应用和电极过程分析的两种传感器结构,经测试结果分析表明两种传感器结构都能满足目标气体在工作电极三相界面上反应的性能要求。(2)研制出离子液体硫化氢气体电化学传感器。首先,根据离子液体的电导率、熔点等性能并结合文献,初选14种离子液体作为电解质。研究发现[BMIm][HSO4]、[TMBSA][HSO4]、[BSO3HMIm][HSO4]和[Pr SO3HMIm][HSO4]作为电解质时传感器对H2S气体具有较高的灵敏度,均在100 n A/ppm以上。然而,这类传感器有着共同的缺点,电流响应信号不能达到稳定平台,传感器在恢复时信号存在负向反冲现象。结和阳离子为[EMIm]+的离子液体测试结果分析,可以推断离子液体硫化氢气体传感器的灵敏度响应信号和稳定性与电解液的阴离子有关,阴离子的选择较大程度的决定了其气体敏感性能。[EMIm][OAc]电解质传感器对H2S有最优的敏感性能,传感器的灵敏度高达418 n A/ppm,响应时间和恢复时间为63 s和65 s。同时,传感器的选择性高、重复性好和信号稳定,电流响应信号与H2S气体浓度呈线性关系。虽然,该类传感器的灵敏度在高于0℃的环境中受温度影响较大,但在低温条件下传感器灵敏度较稳定。因此,[EMIm][OAc]离子液体有望代替传统水基电解液应用于低温环境中检测H2S。(3)利用循环伏安法对H2S在铂电极上的电极过程进行了研究。首先,用Fick定律和Faraday定律对传感器响应时峰值电流的公式进行推导。其次,使用循环伏安扫描技术对传感器进行测试。发现在氮气下[EMIm][OAc]的未发生解离的电化学窗口为-0.6 V-1.5 V。对循环伏安扫描的测试结果进行分析可得,在正向扫描时电极发生阳极极化H2S分子被氧化生成H+和S,回扫时发生S的还原。在电极发生阴极极化H2S直接还原为HS-。最后,使用循环伏安法,分别控制电极上H2S浓度和扫速的变化进行测试。得到扩散控制的电极过程中,物质在电极上发生氧化的峰值电流与溶液中反应物浓度成正比,基于[EMIm][OAc]的传感器的灵敏度为366.2 n A/ppm。同时,氧化峰值电流与(?)成正比。
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