基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术设计一种基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器装置及制备方法。传感器阴极由催化层、泡沫镍和扩散层组成，阳极由催化层和泡沫镍组成，阴、阳级催化层材料均为泡沫塑料超级纳米碳；以泡沫塑料超级纳米碳为催化剂，采用压片法制作泡沫塑料超级纳米碳-PTFE阳极和泡沫塑料超级纳米碳-PDMS空气阴极；本发明专利技术构建的泡沫塑料超级纳米碳电极BOD传感器以泡沫塑料超级纳米碳作为电极材料，制备过程简单，不需要贵金属催化剂、质子交换膜、电子介体或者动力装置，运行成本低。相比其他贵金属催化电极，使用质子交换膜或者曝氧装置的燃料电池型BOD传感器测定范围大，更易于大规模开发利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境监测
，利用泡沫塑料超级纳米碳为电极催化材料构建燃料电池型传感装置，用于检测水样B0D值。是提出的基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型B0D传感器装置及制备方法。
技术介绍
燃料电池型B0D传感器的基本原理是以阳极催化剂作为敏感元件，当样品中的B0D物质发生降解代谢时，会偶联电池输出电流强弱的变化，在一定条件下传感器输出的电量与B0D的浓度呈线性关系，可用于B0D的在线监测。基于燃料电池型B0D传感器具有实时快速、操作简单等优点，可实现B0D的在线自动检测。目前国内外主要采用5d20°C培养法测定水样B0D值，该方法包括水样采集、充氧、培养、测定等步骤，操作复杂，费时费力，不宜现场监测。B0D的其它测定方法还有检压式库仑计法、短时日法、平台值法和瓦勃呼吸法等，这些方法基本上是基于一些经验公式，且操作过程均较为复杂，测定过程不够稳定，没有得到推广。在燃料电池型B0D传感器中，阳极液为被检测的水样，阳极上的催化剂转化有机物转化为电流，阴极室中加入曝氧缓冲液，溶解氧作为电子受体被还原成水。1977年，Karube 等(Li Y R, Chu J, Appl B1chem B1technol, 1991, 28(29):855-863.)首次利用微生物传感器原理成功研制了 B0D传感器，该仪器由固定化土壤菌群与氧电极构成，检测时间短(15min内)，但由于微生物酶对固定化微生物膜的破坏，传感器的寿命非常短。在燃料电池型B0D传感器中，B0D的浓度与转移的电荷量和电流相关。电荷量和B0D浓度的关系可以通过催化剂在阳极不断氧化降解底物，衡算电流峰值，计算电流达到最大值整段时间内通过外电路的电量来说明，电流表示阳极上附着的微生物氧化有机质的速率。有一些研究已经证明了，B0D浓度与电流的关系，Chang等人(Chang I S, Jang J K, Gil G C, etal,B1sensors and B1electronics, 2004, 19(6):607-613.)研究了 BOD 浓度与电流的线性关系，该浓度范围达到100mg/L。国内外已有报道用一个潜水式的燃料电池作为B0D传感器，避免了阳极电解液的栗入，但是需要不断注入空气。但已报道的燃料电池型B0D传感器存在许多问题:(1)装置构建成本高:常规的电极材料使用铂、金等贵金属，或使用制备过程繁琐的纳米材料；使用价格昂贵的质子交换膜作用隔膜；运行中往往需要曝气装置，增加运行成本；(2) B0D浓度线性范围小(3)电极材料催化性能低，有机物分解时间长，影响B0D传感器的响应时间和数值的准确性；
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:针对上述存在问题，构建的泡沫塑料超级纳米碳为电极催化剂的燃料电池型B0D传感器，以制备过程非常简单的泡沫塑料超级纳米碳为电极材料，催化性能高，成本低廉，B0D浓度线性范围大，且性能优于目前已报道的以贵金属Pt为催化剂、含有曝气装置或者使用质子交换膜的燃料电池型传感器，有望推动燃料电池型BOD传感器的实际应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:本专利技术的基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型B0D传感器；其阴极由催化层、泡沫镍和扩散层组成，阳极由催化层和泡沫镍组成，阴、阳级催化层材料均为泡沫塑料超级纳米碳；用钛线横穿传感器阳极，置于传感器内腔封闭的一端；将阴极的催化层作为接触水的一面安装在传感器的另一端作为阴极，阴极的钛线置于泡沫塑料超级纳米碳-PTFE空气阴极的扩散层一面并且需要接触泡沫镍。本专利技术的基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型B0D传感器制备方法，步骤如下:(1)制备泡沫塑料超级纳米碳:称取泡沫塑料，然后在氮气氛围下、温度为150?350°C的条件下煅烧10?20min得到黑色粉状，然后加入氢氧化钾，在常温下条件下搅拌lh，然后在120°C条件下干燥，将产物在氮气氛围下热处理2h，得到产物；(2)制备传感器阴极:分别制备气体扩散层和催化层，将二者叠加在一起，用压片机压成厚度为0.6mm的薄片，在350°C下箱式电阻炉中恒温烧结20min，完成了传感器阴极的制备；(3)制备传感器阳极:将泡沫塑料超级纳米碳粉，加入丙酮将其浸没，在室温下对其超声分散，然后按照纳米碳和60% PTFE质量比6:1的比例滴加PTFE乳液；均匀混合后，在80°C恒温水浴中进行蒸发干燥；最后将混合物叠加在泡沫钛上使用压片机中压成厚度为0.5mm的传感器阳极；(4)组装传感器:用螺母固定长方体有机玻璃腔体、阳极和阴极，以钛线分别连接阴极和阳极，并在阴、阳极之间连接1000Ω的电阻，组装完成了 B0D传感器。所述泡沫塑料和氢氧化钾的质量比为1:3。所述气体扩散层的制备条件为:将导电银粉均匀分散在丙酮中，与60 %的PDMS乳液以质量比为3:7均匀混合，并在80°C条件下水浴干燥得到得有弹性的膏状混合物；将膏状混合物放入泡沫镍上用压片机压成厚度为0.35mm的气体扩散层。所述催化层的制备条件为:将泡沫塑料超级纳米碳粉均匀分散在丙酮中，与60%的PDMS乳液以质量比为6:1均匀混合，将混合物在80°C条件下水浴干燥得后放在泡沫镍上用压片机压成厚度为0.35mm的催化层。泡沫塑料可以选择聚苯乙烯泡沫塑料；聚苯乙烯泡沫塑料即广泛用于各种精密仪器、仪表、家用电器等的缓冲包装的泡沫塑料。以泡沫塑料超级纳米碳为催化剂，采用压片法制作泡沫塑料超级纳米碳-PTFE (聚四氟乙烯)阳极和泡沫塑料超级纳米碳-PDMS (聚二甲基硅氧烷)空气阴极；解决了燃料电池在B0D传感器的产业化应用问题，即需要传感器电极具备高性能、低成本、易于大型化等特点。本专利技术的优点是:1.本专利技术构建的泡沫塑料超级纳米碳电极BOD传感器以泡沫塑料超级纳米碳作为电极材料，制备过程简单，不需要贵金属催化剂、质子交换膜、电子介体或者动力装置，运行成本低。2.本专利技术构建的泡沫塑料超级纳米碳电极BOD传感器，相比其他贵金属催化电极，使用质子交换膜或者曝氧装置的燃料电池型B0D传感器测定范围大，成本低，更易于大规模开发利用。3.本专利技术使用搭建的泡沫塑料超级纳米碳电极B0D传感器系统可以适应不同的底物，测定结果准确。【附图说明】图1制备基于泡沫塑料超级纳米碳电极的B0D传感器的技术路线图；图2 B0D传感器结构示意图；图3泡沫塑料超级纳米碳电极的B0D传感器极化曲线和功率密度曲线；图4传感器对不同B0D浓度含乙酸钠废水的电压响应变化；图5传感器电荷量与所测样品B0D浓度的线性关系；图6传感器对不同B0D浓度糖蜜废水的电压响应变化；图7传感器对不同B0D浓度酿酒废水的电压响应变化。【具体实施方式】基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型B0D传感器:传感器由阴极、长方体有机玻璃腔体和阳极组成。阴极由催化层、泡沫镍和扩散层组成，阳极由催化层和泡沫镍组成，阴、阳级催化层材料均为泡沫塑料超级纳米碳。用钛线横穿传感器阳极，置于传感器内腔封闭的一端。将阴极的催化层作为接触水的一面安装在传感器的另一端作为阴极，阴极的钛线置于泡沫塑料超级纳米碳-PTFE空气阴极的扩散层一面并且需要接触泡沫镍，用螺母固定长方体腔体、阳极和阴极，阴极和阳极之间连接1000Ω的电阻。制备方法步骤如下:(1)制备聚苯乙烯泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器；其特征是阴极由催化层、泡沫镍和扩散层组成，阳极由催化层和泡沫镍组成，阴级、阳级催化层材料均为泡沫塑料超级纳米碳；用钛线横穿传感器阳极，置于传感器内腔封闭的一端；将阴极的催化层作为接触水的一面安装在传感器的另一端作为阴极，阴极的钛线置于泡沫塑料超级纳米碳‑PTFE空气阴极的扩散层一面并且需要接触泡沫镍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宪华，王梅玉，刘素素，陈鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12