电化学传感器制造技术

电化学H2S传感器包括外壳、安置在所述外壳内的电解质和与所述外壳内的电解质接触的多个电极。所述多个电极包括工作电极和对电极。与电解质接触的工作电极的表面积小于与电解质接触的对电极的表面积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学传感器对相关申请的交叉引用不适用。关于联邦赞助的研究或开发的声明不适用。对微缩胶片附录的引用不适用。背景在对于硫化氢（H2S）的存在的监测中，可以存在其它气体，如一氧化碳（CO）。附加气体可在硫化氢传感器的工作电极处反应。例如，该工作电极可包含可催化硫化氢和一氧化碳的反应的贵金属。因此，一氧化碳的存在可能造成硫化氢传感器中的交叉灵敏度，造成在环境气体中存在比实际存在水平高的硫化氢的错误印象。由于硫化氢的存在造成的危险，触发警报的阈值水平可相对较低，且由一氧化碳的存在造成的交叉灵敏度可能足够高以造成硫化氢传感器的错误警报。通过在多种气体，包括CO和H2S存在下校准传感器而校正一些传感器的交叉灵敏度。可以校正H2S读数以将CO的存在考虑在内，这可能导致在不存在CO的情况下人为的低H2S读数。这种低读数可能在被监测的气体中存在H2S时造成安全危害。概述在一个实施方案中，电化学H2S传感器包括外壳、安置在所述外壳内的电解质和与所述外壳内的电解质接触的多个电极。所述多个电极包括工作电极和对电极。与电解质接触的工作电极的表面积小于与电解质接触的对电极的表面积。在一个实施方案中，电化学H2S传感器包括外壳、安置在所述外壳内的电解质和与所述外壳内的电解质接触的多个电极。所述多个电极包括工作电极和对电极。所述工作电极包含Pt-Ru和附加催化材料。所述附加催化材料包含Ir、石墨、碳或它们的任何组合，且所述对电极包含全氟磺酸离子交换树脂和Pt-Ru黑。在一个实施方案中，检测硫化氢的方法包括将环境气体接收到硫化氢传感器的外壳中、使环境气体与多孔工作电极接触、允许环境气体扩散经过多孔工作电极以接触电解质、响应环境气体和在工作电极的第二表面处的电解质之间的反应在多孔工作电极和对电极之间生成电流和基于所述电流测定环境气体中的硫化氢浓度。所述环境气体包含硫化氢和一氧化碳，且所述硫化氢传感器包括与所述外壳内的电解质接触的多个电极。所述多个电极包括多孔工作电极和对电极。所述多孔工作电极与电解质接触的表面积小于对电极与电解质接触的表面积。结合附图和权利要求，由下列详述更清楚理解这些和其它特征。附图简述为了更全面理解本公开，现在参考下列简述并结合附图和详述，其中类似附图标记代表类似部件。图1示意性图示说明根据一个实施方案的电化学传感器的横截面视图。图2图示说明在实施例1和3中描述的条件下传感器对暴露于25ppmH2S接着50ppmCO的响应。详述从一开始应该理解的是，尽管下面举例说明一个或多个实施方案的示例性实施方式，可以使用许多技术（无论是目前已知的还是尚未存在的）实施所公开的系统和方法。本公开无论如何不应限于下面举例说明的示例性实施方式、附图和技术，但可以在所附权利要求书的范围以及它们的完整等同物范围内修改。下列简要的术语定义应适用于本申请全文：术语“包含”是指包括但不限于此，并且应以它们在专利领域中常用的方式解释；短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等通常是指该短语后的特定特点、结构或特征可包括在本专利技术的至少一个实施方案中，并可包括在本专利技术的多于一个实施方案中（重要地，此类短语不一定指向同一实施方案）；如果说明书将某物描述为“示例性”或“实例”，应该理解的是，这是指非排他性实例；如本领域技术人员所理解的，当与数字一起使用时，术语“大约”或“大致”等可以是指具体数字或接近该具体数字的范围；且如果说明书规定“可能”、“可以”、“可”、“应该”、“会”、“优选”、“有可能”、“一般”、“任选”、“例如”、“通常”或“或许”（或其它这样的词语）包括组分或特征或具有特征，不要求必须包括该特定组分或特征或必须具有该特征。此类组分或特征可任选包括在一些实施方案中，或可能不包括。由于H2S气体的极端毒性，各国已建立限制个人暴露于该气体的法规。例如，2010AmericanConferenceofGovernmentalIndustrialHygienists(ACGIH)已确定1ppm的在8小时时间加权平均值（TWA-8hr.）下的H2S安全值和5ppm的在15分钟短期暴露（STEL-15min）下的H2S安全值。已经开发出各种传感器以检测气氛中的H2S的存在和浓度。使用贵金属催化剂以允许H2S反应产生可测电流的电化学传感器也可能催化其它气体物质如CO反应产生电流。例如，10ppmCO的环境浓度可在具有低交叉灵敏度的传感器中建立大约5ppbH2S的交叉灵敏度。但是，低交叉灵敏度传感器的使用可经历缓慢响应时间，由此使该传感器在一些情况下不利。另一些传感器可具有更快响应时间，但可能也具有更高的对CO的交叉灵敏度。例如，50ppmCO的环境浓度可能产生大约0.5至大约2.3ppmH2S的交叉灵敏度读数。这一读数可能足以造成8小时平均值的错误警报并在存在更高CO浓度时可造成短期暴露的错误警报。因此，消除或降低H2S传感器中对CO的交叉灵敏度可改进安全性。有许多方式增强电化学传感器的选择性。首先，工作电极的材料的选择可影响对各种化学品的总体灵敏度，包括目标气体和一种或多种干扰气体之间的相对灵敏度差异。其次，可以使用过滤器除去干扰气体，由此降低对干扰气体的交叉灵敏度。但是，过滤器通常使用具有有限容量的吸收剂或吸附剂，由此限制传感器的有效寿命。第三，可以使用中间电解质体系。在这一体系中，可以进行电解质的组成的选择以使电解质选择性地与目标气体而非干扰气体反应。但是，这种方法非常复杂，且该电解质也可具有容量限制，造成传感器的有效寿命有限。第四，可以选择跨过电极的电势以消除或降低传感器的交叉灵敏度。此外，在一些情况下，可以通过扩大毛细孔降低交叉灵敏度。但是，这可能导致在传感器中形成较大电势，其可能影响传感器设计中的许多参数，可能不适合具有限定灵敏度的传感器。作为改变该电化学传感器的交叉灵敏度的新方式，该电化学气体传感器可具有相对于对电极表面积降低的工作电极表面积和/或可以将对干扰气体无催化活性或较低催化活性的材料添加到工作电极中。所得传感器可具有对H2S气体的良好响应，同时具有降低的对CO气体的交叉灵敏度。一般而言，本文中公开的电化学传感器包括气体扩散工作电极、对电极和任选地，参比电极。各电极与水性电解质接触。为了降低任何一种或多种干扰气体的潜在交叉干扰，可以相对于对电极降低工作电极的表面积以使工作电极与电解质接触的表面积小于对电极与电解质接触的表面积。这一配置可产生具有对H2S气体的良好灵敏度、同时具有降低的对CO的交叉灵敏度的电化学传感器。在一些实施方案中，可以与工作电极一起使用对一种或多种干扰气体无催化活性或相比于目标气体有较低催化活性的附加催化剂材料。这也可降低CO气体的交叉灵敏度。可就在该传感器内发生的相对控制速率理解工作电极与对电极的相对表面积差异和/或不同的催化活性材料的使用。尽管无意受理论限制，但当催化活性足够高时，目标气体的反应速率主要受扩散控制。因此，可以忽略催化剂对总反应速率的影响。但是，对于干扰气体，电化学传感器通常受到扩散限制和催化反应速率限制。因此，对干扰气体的催化反应速率限制影响总反应速率。这一概念由下列方程表示。对于目标气体(Eq.1)其中id1是该传感器借助其扩散毛细管对目标气体的扩散阻力，且i1是借助扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电化学H2S传感器(10)，其包括：外壳(12)；安置在所述外壳(12)内的电解质；和与所述外壳(12)内的所述电解质接触的多个电极(24、16)，其中所述多个电极(24、16)包括工作电极(24)和对电极(16)，其中与所述电解质接触的所述工作电极(24)的表面积小于与所述电解质接触的所述对电极(16)的表面积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电化学H2S传感器(10)，其包括：外壳(12)；安置在所述外壳(12)内的电解质；和与所述外壳(12)内的所述电解质接触的多个电极(24、16)，其中所述多个电极(24、16)包括工作电极(24)和对电极(16)，其中与所述电解质接触的所述工作电极(24)的表面积小于与所述电解质接触的所述对电极(16)的表面积。2.权利要求1的传感器，其中与所述电解质接触的所述工作电极(24)的表面积为与电解质接触的所述对电极(16)的表面积的20%至75%。3.权利要求1的传感器，其中所述工作电极(24)包含全氟磺酸离子交换树脂和设置在全氟磺酸离子交换树脂膜上的Pt-Ru。4.权利要求3的传感器，其中所述工作电极(24)包含对干扰气体没有催化反应性或具有比对目标气体低的催化反应性的除Pt或Ru之外的催化材料。5.权利要求4的传感器，其中所述催化材料包含Ir、石墨、碳或它们的任何组合。6.权利要求4的传感器，其中所述催化材料与Pt-Ru的重量比为1:1至1:2。7.权利要求1的传感器，其中所述对电极(16)包含全氟磺酸离子交换树脂和设置在全氟磺酸离子交换树脂膜上的Pt-Ru。8.电化学H2S传感器(10)，其包括：外壳(12)；安置在所述外壳(12)内的电解质；和与所述外壳(12)内的所述电解质接触的多个电极(24、16)，其中所述多个电极(24、16)包括：工作电极(24)，其中所述工作电极(24)包含Pt-Ru和附加催化材料，其中所述附加催化材料包含Ir、石墨、碳或它们的任何组合；和对电极(16)，其中所述对电极(16)包含全氟磺酸离子交换树脂和Pt-Ru黑。9.权利要求8的传感器，其中所述附加催化材料与Pt...

【专利技术属性】
技术研发人员：于玉忠，魏娜，刘玲，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US