脉冲电位气体传感器制造技术

一种操作电化学气体传感器的方法，该电化学气体传感器包括至少一个包括电催化剂且具有至少2:1的总电化学可及表面积与几何表面积的比率的工作电极，该方法包括交替地多次偏置该至少一个工作电极的电位至电催化剂对于催化第一目标气体的氧化还原反应为活性的第一电位和不同于第一电位的第二电位，电催化剂在该第二电位下对于催化第一目标气体的氧化还原反应基本上是无活性的；测量由第一电位下第一目标气体的氧化还原反应产生的第一输出信号；和反褶积在至少一个工作电极偏置于第一电位时的第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的第一输出信号的一部分而测定第一目标气体的浓度。

Pulse potential gas sensor

A method for operating an electrochemical gas sensor comprising at least one working electrode including at least an electrocatalyst and at least 2:1 of the total electrochemistry and the ratio of the surface area to the geometric surface area. The method includes alternately offset the potential of the at least one working electrode to the electrocatalyst for many times. The oxidation-reduction reaction of the first target gas is the first potential of activity and the second potential different from the first potential, and the electrocatalyst is inactive at the second potential for the redox reaction of the first target gas, and the redox reaction of the first target gas at the first potential is measured. An output signal; and the first output signal of the deconvolution at at least one working electrode at the first potential to separate the concentration of the first target gas by separating a part of the first output signal produced by the illegal pulsing current.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脉冲电位气体传感器相关申请的交叉引用本申请要求2015年12月21日提交的美国专利申请系列No.14/976,034的利益，其公开内容通过引用合并于此。
技术介绍
提供以下信息以帮助阅读者理解下面公开的技术和这样的技术可能通常应用于其中的环境。本文中使用的术语不旨在限制于任何特定的窄义解释，除非本文件中明确声明另外的情况。本文中给出的参考文献可有助于理解技术及其背景。本文中引用的所有参考文献的公开内容通过引用并入。脉冲电化学技术是公知的。脉冲的伏安技术可以降低电化学分析中的检测限。在典型的电化学电池中，人们观察到两种类型的电流，其被称为“法拉第”和“非法拉第”电流。法拉第电流由一种化学物质至另一化学物质的电化学转化(或者氧化或者还原)而产生，且通过以下公式概括：Ox+ne-→Red(1)公式(1)中的符号″e-″代表在电化学转化中转移的电子且n是电子的数目。电化学转化中的转移电子导致在暴露于目标气体时由传感器产生的输出/信号电流。另一方面，非法拉第电流由非常靠近于电极表面的传感器的电解质中存在的离子的重排及其它过程如离子的吸附和解析产生。非法拉第电流不造成传感器的分析信号，而是导致在没有目标气体存在于在传感器信号中观察到的噪音。以上讨论适用于在恒定电位下操作的传感器。在不存在目标气体的情况中，如果施加于传感器的工作电极的电位突然改变，非法拉第的瞬时电流会流入传感器中。这一电流具有指数时间依赖性且按照以下公式朝向零电流降低：其中iC是观察的电流(充电电流)，t是电位改变后的时间，E是电位改变的幅度，RS是溶液电阻和CWE是工作电极的电容(其直接取决于工作电极的电化学活性/可及面积)。这一行为显示于图1A中。如果在目标气体存在时将电位变化应用于工作电极，且工作电极的电位使得目标气体发生法拉第反应(被氧化或还原)，则观察的电流通过以下公式提供：iT＝iC+iF(3)其中iT是充电电流iC和法拉第电流iF的总和。在电流型电化学传感器的情况中，iF通常表示为：在公式(4)中，n是参与电化学反应的电子的数目，F是法拉第常数，A是工作电极的电化学活性/可及面积，C是目标气体的浓度，D是目标气体的扩散系数，和x是目标气体必须扩散以到达工作电极的电化学活性表面经过的距离。公式(4)通过考虑菲克扩散定律获得。公式(4)表明法拉第电流直接取决于目标气体的浓度且被假定对时间不敏感，这是近似法。D/x的值(在实验的物理条件下菲克定律的解)总是时间依赖性的。但是，其值对于电流型电化学气体传感器快速达到稳态条件，且基本上是非时间依赖性的。脉冲伏安法或极谱法的理论的各种讨论和推导表明这些技术的开发背后的动机包括通过及时地分离充电电流和法拉第电流提高这些方法的分析灵敏度。具有至少三种一般公认为脉冲伏安法的成功所需要的关键标准：第一，电位脉冲应当是小的。对于最高保真度，脉冲幅度应当小于约0.059/n伏(在25C下)，其中n是电化学反应中转移的电子的数目(参见公式(1))。第二，脉冲之间的时间应当是长的，从而允许充电电流衰减至小的值。对于经典尺寸的分析电极(1cm2)或更小的电极，等待时间可以为大约几秒(即，长于5秒和更通常几百秒)。第三，电极面积应当最小化。脉冲伏安技术最初开发用于使用其中几何面积密切近似于电化学活性/可及面积的宏电极(macroelectrode)的电分析过程中。参见，例如，A.J.Bard和L.R.Faulkner,ElectrochemicalMethods(Wiley:NewYork),1980,183；P.T.Kissinger和W.R.Heineman,LaboratoryTechniquesinElectroanalyticalChemistry(MarcelDekker:NewYork),1984,143；J.Osteryoung和M.M.Murphy,“NormalandReversPulseVoltammetryatSmallElectrodes,”Microelectrodes:TheoryandApplications,1991,123-138；及J.Osteryoung和K.Hasebe,“PulsePolarography–TheoryandApplication,”ReviewofPolarography,1976,1:22,1-25。提高这些技术的灵敏度的愿望(以及其它动机)导致微电极和超微电极(具有大约1μm2的面积的电极)的开发。所有这些开发一般考虑到一个目标：相对于法拉第电流使充电电流最小化。脉冲伏安技术将电分析方法的通常可用浓度范围从千分率(10-3)降低到百万分率(ppm,10-6)及更低。以上讨论适用于经典的溶液导向(solution-oriented)的电分析技术。电流型电化学气体传感器以几种重要的方式是不同的，其理解为严重地限制或排除脉冲技术在这样的应用中的可用性。
技术实现思路
在一个方面中，一种操作电化学气体传感器的方法，该电化学气体传感器包括至少一个包含电催化剂且具有至少2:1的总电化学可及表面积与几何表面积的比率的工作电极，该方法包括交替地多次偏置所述工作电极的电位至第一电位和不同于所述第一电位的第二电位，在该第一电位下所述电催化剂对于催化第一目标气体的氧化还原反应为活性的，和在该第二电位下所述电催化剂对于催化所述第一目标气体的所述氧化还原反应基本上是无活性的；测量在所述第一电位下由所述第一目标气体的氧化还原反应产生的第一输出信号；和反褶积在所述工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的一部分而测定所述第一目标气体的浓度。所述方法可以进一步包括在所述工作电极多次偏置于所述第一电位中的每一次，反褶积在所述工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的部分而测定所述第一目标气体的浓度。在多个实施方式中，所述总电化学可及表面积与几何表面积的比率为至少10:1、至少200:1或至少500:1。在多个实施方式中，测量的输出信号在用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段的至少95％或至少99％过去后反褶积。所述用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段可以例如小于5秒、不超过1秒、不超过500毫秒或不超过100毫秒。在多个实施方式中，所述电催化剂在所述第二电位下催化不同于所述第一目标气体的第二目标气体的氧化还原反应，且所述电催化剂在所述第一电位下对于催化所述第二目标气体的所述氧化还原反应基本上是无活性的。所述方法可以进一步包括测量在所述第二电位下由所述第二目标气体的所述氧化还原反应产生的第二输出信号；和反褶积在所述工作电极偏置于所述第二电位时的所述第二输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第二输出信号的一部分而测定所述第二目标气体的浓度。所述方法可以例如包括在所述工作电极的电位多次偏置于所述第一电位中的每一次，反褶积在所述工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的部分而测定所述第一目标气体的浓度，和在所述工作电极的电位多次偏置于所述第二电位中的每一次，反褶积在所述工作电极偏置于所述第二电位时的所述第二输出信号以分离由非法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种操作电化学气体传感器的方法，该电化学气体传感器包括至少一个包含电催化剂且具有至少2:1的总电化学可及表面积与几何表面积的比率的工作电极，该方法包括：交替地多次偏置所述工作电极的电位至第一电位和不同于所述第一电位的第二电位，在该第一电位下所述电催化剂对于催化第一目标气体的氧化还原反应为活性的，和在该第二电位下所述电催化剂对于催化所述第一目标气体的所述氧化还原反应基本上是无活性的；测量在所述第一电位下由所述第一目标气体的氧化还原反应产生的第一输出信号；和反褶积在所述至少一个工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的一部分而测定所述第一目标气体的浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.21 US 14/976,0341.一种操作电化学气体传感器的方法，该电化学气体传感器包括至少一个包含电催化剂且具有至少2:1的总电化学可及表面积与几何表面积的比率的工作电极，该方法包括：交替地多次偏置所述工作电极的电位至第一电位和不同于所述第一电位的第二电位，在该第一电位下所述电催化剂对于催化第一目标气体的氧化还原反应为活性的，和在该第二电位下所述电催化剂对于催化所述第一目标气体的所述氧化还原反应基本上是无活性的；测量在所述第一电位下由所述第一目标气体的氧化还原反应产生的第一输出信号；和反褶积在所述至少一个工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的一部分而测定所述第一目标气体的浓度。2.如权利要求1的方法，进一步包括在所述至少一个工作电极多次偏置于所述第一电位中的每一次，反褶积在所述至少一个工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的部分而测定所述第一目标气体的浓度。3.如权利要求2的方法，其中所述总电化学可及表面积与几何表面积的比率为至少10:1。4.如权利要求2的方法，其中所述总电化学可及表面积与几何表面积的比率为至少200:1。5.如权利要求3的方法，其中所述第一输出信号在用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段的至少95％过去后反褶积。6.如权利要求3的方法，其中所述第一输出信号在用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段的至少99％过去后反褶积。7.如权利要求5的方法，其中所述用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段不超过500毫秒。8.如权利要求5的方法，其中所述用于在所述第一电位和所述第二电位之间交替的时间段不超过100毫秒。9.如权利要求1的方法，其中所述电催化剂在所述第二电位下催化不同于所述第一目标气体的第二目标气体的氧化还原反应，且所述电催化剂对于在所述第一电位下催化所述第二目标气体的所述氧化还原反应基本上是无活性的，该方法包括：测量在所述第二电位下由所述第二目标气体的所述氧化还原反应产生的第二输出信号；和反褶积在所述至少一个工作电极偏置于所述第二电位时的所述第二输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第二输出信号的一部分而测定所述第二目标气体的浓度。10.如权利要求9的方法，进一步包括在所述工作电极的电位多次偏置于所述第一电位中的每一次，反褶积在所述至少一个工作电极偏置于所述第一电位时的所述第一输出信号以分离由非法拉第电流产生的所述第一输出信号的部分而测定所述第一目标气体的浓度，和在所述工作电极的电位多次偏置...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·B·谢弗勒，
申请(专利权)人：MSA技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US