用于电化学气体传感器的电极、用于电极的制造方法和电极的应用技术

本发明专利技术涉及用于电化学气体传感器（1）的电极（100），其中所述电极具有气体可渗透的膜，并且其中石墨烯层（3）作为电极材料涂敷在气体可渗透的膜（4）上。这样的电极（1）例如通过以下方式来制造：将分散体施加到气体可渗透的膜上，其中所述分散体由在挥发性液体中的石墨烯或者氧化石墨烯组成，并且使所述挥发性液体蒸发。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于电化学气体传感器的电极以及这样的电极的制造方法、应用和具有这样的电极的电化学气体传感器。
技术介绍
电化学气体传感器一般来说是已知的。所述电化学气体传感器通常具有多个电极，所述电极与电解液导电接触并且以这种方式构成原电池（galvanischesElement）（以下也称作电化学测量单元（Messzelle））。对于不同分析物的特定探测，在此不仅取决于电解液的成分而且取决于组成电极的材料。在此基本前提是：电极至少部分地由导电材料组成。除了不同的金属，因此碳也是一种可以制成电极的材料。就此而言，由DE19939011C1已知类金刚石碳（DLC-diamondlikecarbon）作为测量电极材料在用于有毒气体（诸如F2或Cl2）的气体传感器中的应用。利用这样的电极，可以覆盖直至大约2ppm数量级的测量范围。DE102006014713B3也公开了一种电化学气体传感器，所述电化学气体传感器具有基于碳的测量电极、也即具有包含碳纳米管的测量电极。所述测量电极例如可以被用于探测分析物、诸如SO2或乙硼烷。然而，对于其他气体、诸如H2S或臭氧也存在相对高的横向灵敏度。另一已知的碳改性是石墨烯。虽然已知用于制造导电石墨烯的不同方法——例如通过借助于照相机闪光将氧化石墨烯还原（照相机闪光方法）或者通过利用UV光照射。然而使用石墨烯用于制造电极迄今并未成功，所述电极可以有效地在电化学气体传感器中被使用。借助于照相机闪光方法，虽然可以制造在内部导电层，然而在此氧化石墨烯层的表面被破坏，使得与从外部接近所述层的分析物进行反应是不可能的。如果代替照相机闪光而应用表面防护式方法、例如利用UV光照射，那么存在以下风险：在表面被转换成了石墨烯之后，反应停止，并且处于内部的材料不被还原。随后不能达到足够的导电性用以能够在电化学气体传感器中有效地并且在足够宽的测量范围内使用所述电极。
技术实现思路
因此本专利技术所基于的任务是，提供用于电化学气体传感器的经改善的电极。具有这样的电极的电化学气体传感器应当拥有尽可能宽的测量范围（高测量范围动态性），并且同时应当具有尽可能小的横向灵敏度。也值得期望的是：测量电极不仅可以灵活地被使用而且可以容易地被加工。也特别值得期望的是：提供用于制造这样的电极的方法，其中石墨烯可被用作电极材料。作为解决方案，本专利技术规定具有权利要求1的特征的用于电化学气体传感器的电极以及根据权利要求6所述的用于这样的电极的制造方法以及根据权利要求9所述的电极在电化学气体传感器中的应用。其他的扩展方案是相应从属权利要求的主题。在用于电化学气体传感器的电极的情况下，本专利技术规定，所述电极具有气体可渗透的膜，其中石墨烯层作为电极材料被涂敷在气体可渗透的膜上。气体可渗透的膜例如可以是由聚四氟乙烯组成的多孔膜。然而当然其他膜材料也是可设想的。例如也可想像的是：气体可渗透的膜是由PFA、FEP、然而也由Cyclopore®,Isopore或者Nuclepore®、因此也即聚碳酸酯或者聚酯组成的膜。在此，气体可渗透的膜用作用于电极材料的载体。电极材料典型地是在原电池中作为电极起作用的该组件。按照本专利技术，电极材料由石墨烯组成，所述电极材料作为层被涂敷到载体上。在此，石墨烯可以不仅作为单层（Single-Layer）石墨烯而且作为多层（Multi-Layer）石墨烯存在。如果电极仅仅由气体可渗透的膜和石墨烯层组成，那么是特别有益的。如果石墨烯从分散体中被涂敷在气体可渗透的膜上，那么也是有利的。在此不仅可以想像所述分散体是包含石墨烯的分散体（石墨烯分散体）；也可以想像分散体是包含石墨烯前体（Graphenvorstufe）的分散体、诸如氧化石墨烯（氧化石墨烯分散体）。以这种方式获得的电极具有用于在电化学气体传感器中使用的足够导电性。如果按照本专利技术的电极的电阻小于10kΩ、优选地小于200Ω，那么在此尤其是有益的。令人惊讶地表明，这样的电极特别良好地适用于提供具有高选择性和测量范围动态性的电化学传感器。尤其传感器的横向灵敏度在此也可以被降低。这样的电极令人惊讶地也是稳健的，使得所述电极可以毫无问题地继续被加工，而在此不遭受损坏或者质量下降。此外，按照本专利技术的电极对于湿度波动是高度地不灵敏的。在特别简单的第一实施变型方案中，石墨烯作为多层石墨烯存在。这样的电极、也即具有气体可渗透的膜的电极优选地具有浅灰色至深灰色的着色，其中所述气体可渗透的膜涂覆有多层石墨烯。所述电极例如可以通过以下方式来制造，即使成本低地可用的石墨烯粉在挥发性液体（分散剂）中分散（inDispersiongebracht），并且浇注（gießen）到气体可渗透的膜上。接着分散剂蒸发。在此，在膜上形成多层石墨烯的均匀薄层。看出的是，按照本专利技术的电极因此可以是具有气体可渗透的膜的电极，其中所述气体可渗透的膜具有作为电极材料的石墨烯层并且其中石墨烯层通过以下方法来制造，所述方法具有步骤：a)将石墨烯粉末分散在挥发性液体中，b)将在步骤a)中所制造的石墨烯分散体施加到气体可渗透的膜上，和c)使挥发性液体蒸发。通过根据步骤a)分散石墨烯粉末，在此制造在步骤b)中所使用的石墨烯分散体。挥发性液体可以是任意的挥发性液体，前提条件是，石墨烯和/或氧化石墨烯可以分散在其中，例如在非常简单的情况下可以是水。也可以设想的是，有机溶剂、诸如丙醇被添加和/或被使用。如果在气体可渗透的膜上所涂敷的石墨烯层由经还原的氧化石墨烯组成，那么也是有利的。例如构成石墨烯层的石墨烯可以是通过借助于联氨或碘化氢或由联氨和碘化氢组成的混合物来对氧化石墨烯进行还原所形成的石墨烯。在此，将氧化石墨烯还原成石墨烯可以在在载体（也即气体可渗透的膜）上进行层沉积（Schichtablagerung）之前、之间或之后进行。例如气体可渗透的膜上的石墨烯可以是通过以下方法制造的石墨烯：首先将含水的氧化石墨烯分散体施加到气体可渗透的膜上，并且然后在氧化石墨烯已经沉积（absetzen）在膜上之后利用还原剂进行处理。在此，还原剂例如可以从联氨、碘化氢和由联氨和碘化氢组成的混合物中选择。换句话说，如果电极通过以下方法制造，那么是有益的，所述方法具有步骤：a)提供气体可渗透的膜，b)在气体可渗透的膜上施加氧化石墨烯分散体，c）利用还原剂处理在气体可渗透的膜上沉积的氧化石墨烯。在此，还原剂优选地从以下组中选择，所述组包括联氨、碘化氢和包含联氨和碘化氢的混合物。根据步骤c)利用还原剂处理在此可以通过不同的途径进行。例如可想像的是，在其上沉积有氧化石墨烯的气体可渗透的膜利用还原性气体、例如利用联氨、碘化氢或由两者组成的混合物被蒸镀（bedampfen）。可替代地，气体可渗透的膜也可以连同位于其上的氧化石墨烯被放入到联氨和/或碘化氢溶液中。在步骤b)中所使用的氧化石墨烯分散体优选地通过在挥发性液体中分散氧化石墨烯来提供。挥发性液体在这里也可以是任意的挥发性液体，前提条件是，石墨烯和/或氧化石墨烯可以分散在其中，例如在非常简单的情况下可以是水。也可以设想的是，有机溶剂、诸如丙醇被添加和/或被使用。看出的是，按照本专利技术的电极因此也可以是具有气体可渗透的膜的电极，其中气体可渗透的膜具有石墨烯层并且其中所述石墨烯层可以通过以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于电化学气体传感器（1）的电极（100），其特征在于，所述电极具有气体可渗透的膜，其中石墨烯层（3）作为电极材料涂敷在所述气体可渗透的膜（4）上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.16 DE 102014007137.51.用于电化学气体传感器（1）的电极（100），其特征在于，所述电极具有气体可渗透的膜，其中石墨烯层（3）作为电极材料涂敷在所述气体可渗透的膜（4）上。2.按照权利要求1所述的电极，其特征在于，所述石墨烯层（3）从分散体中涂敷在所述气体可渗透的膜（4）上。3.按照权利要求1或2之一所述的电极，其特征在于，所述石墨烯层（3）作为多层石墨烯存在。4.按照权利要求1至3之一所述的电极，其特征在于，所述石墨烯层（3）通过以下步骤来制造：a.将石墨烯粉末分散在挥发性液体中，b.将在步骤a)中所制造的石墨烯分散体施加到所述气体可渗透的膜（4）上，和c.使所述挥发性液体蒸发。5.按照权利要求1至4之一所述的电极，其特征在于，在所述气体可渗透的膜上所涂敷的石墨烯层（3）由经还原的氧化石墨烯组成。6.按照权利要求1至5之一所述的电极，其特征在于，所述电极（100）通过以下方法来制造，所述方法具有以下步骤：a.提供气体可渗透的膜（4），b.在所述气体可渗透的膜（4）上施加氧化石墨烯分散体，c.利用还原剂处理在所述气体可渗透的膜上沉积的氧化石墨烯。7.按照权利要求1至5之一所述的电极，其特征在于，所述电极（100）通过以下方法来制造，所述方法具有以下步骤：a.将氧化石墨烯分散在挥发性液体中，b.利用还原剂处理氧化石墨烯分散体，使得所述氧化石墨烯分散体至少部分地被转化成石墨烯分散体，c.将根据步骤b)处理的分散体施加到...

【专利技术属性】
技术研发人员：S佐默，F梅特，
申请(专利权)人：德尔格安全股份两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE