控制电位电解式CO传感器初探—新课标高中化学电解知识拓展

王维臻 王明召

控制电位电解式CO传感器初探—新课标高中化学电解知识拓展

王维臻 王明召

含碳物质在不完全燃烧时，会产生CO。CO进入人体后，会抢先占据血红蛋白与氧气的结合位点与血红蛋白结合，从而引起机体组织缺氧，严重时导致人窒息死亡。但是，CO气体无色、无气味，不易被觉察。因此，开发出灵敏的CO检测仪器具有重要的意义。可用传感器来检测CO，目前较多采用半导体式传感器和电化学式传感器。其中，电化学式CO传感器以Bay和Blurton提出的控制电位电解法为基础，在重现性、功耗、安全性等方面具有优势。

一、基本原理

控制电位电解传感器测定CO的一种简单装置示意于图1，该体系使用硫酸为电解质。控制电位电解CO，指保持阳极（常称为工作电极）电位为一恒定值，使CO最大限度地在阳极氧化成CO2，同时将副反应控制在最低程度。阴极常称为参比电极，氧气在阴极上发生还原反应，同时与氢离子结合生成水。反应可表示如图1所示：

图1 控制电位电解传感器测定CO的一种简单装置示意图

二、电极材料与电解质

这种传感器中的电极均为燃料电池所用气体扩散电极。气体扩散电极的优点在于它具有催化特性，同时又是多孔材料，可以增大电极材料表面与CO和电解质的接触面积。以一种使用硫酸电解质的传感器为例，扩散电极由导线、防水透气膜和催化膜三部分组成，如图2所示。

图2 一种气体扩散电极的结构示意图

在这种气体扩散电极中，防水透气膜可看成“气孔”，CO由此到达催化膜的催化剂表面；催化膜可看成“液孔”，电解液可以进入催化膜的微孔，与催化剂接触；催化膜上的铂黑催化剂则是“固相”，电化学反应在其表面进行。气流（包括空气和CO）扩散进入电极上，透过防水透气膜到达催化膜。在催化剂作用下，CO与电解质中的H2O反应生成二氧化碳，同时释放出电子。导线收集产生的电子，通过外电路传递到阴极。这一过程产生的H+在电解质中向阴极迁移，并参与阴极上的氧气的还原反应，生成水。

两个气体扩散电极之间的电解质有多种类型。早期的传感器采用液态电解质，多使用一定浓度的H2SO4溶液。H2SO4的一个缺点是当环境的湿度发生较大变化时，其体积变化较大，这影响传感器的正常工作。另外，液体电解质传感器的体积都较大，且都不可避免地存在泄漏等问题。为缩小体积，同时保证H+的迁移能力，后来较广泛地使用半固态电解质，它由亲水性的多孔材料浸泡在H2SO4中形成。近年来，传感器的发展方向是彻底改善泄漏问题，最大限度缩小传感器体积，因而人们开始重视研究固体电解质。在所研究的固体电解质中，Nafion膜材料以其特有的优势最先引起人们的关注。

三、一种典型的固体电解质材料——Naf on膜

Nafion膜是全氟磺酸离子交换膜产品中的一个系列，基本骨架为聚四氟乙烯，支链为氟代的醚基，其末端带有氟代磺酸基，分子式可表示为：

与C―H键（84 kJ•mol-1）相比，C―F键（485 kJ•mol-1）的键能高，因此更稳定。同时，氟原子的半径比氢原子大，可以形成屏障，在一定程度上阻挡其他物质对C―C键的进攻。因此，Nafion膜具有较好的热稳定性和化学稳定性。

Nafion膜泡在水中时，氟代磺酸基―SO2F水解为磺酸基―SO2OH。该基团具有亲水性，可以使膜溶胀变松，形成微细的通道。该基团还可电离，带负电荷的基团―SO2O-留在膜体上，离去的H+离子可以在通道中移动。这种结构如图3 所示。

图3 溶胀Nafion膜中的质子通道示意图

Nafion膜稳定耐用，具有良好的离子传输功能，在CO传感器领域，既可以用来构成半固体电解质，也可以用作固体电解质。但是，Nafion膜的使用也存在局限性。它的离子传输能力强烈依赖于含水量，同时受温度影响较大。在含水量较低或者温度较高时，它的电导性能明显下降。另外，它的成本较高。目前，提高全氟磺酸质子交换膜的使用温度，以及开发性能优良、成本低的质子交换膜来代替全氟磺酸膜，已成为研究热点。

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稿件编号：P1103085

王维臻，在读研究生。王明召，博士，副教授。

北京师范大学化学学院。

教育部实验室共建项目，北京市教育委员会共建项目（编号：102～105834），北京师范大学教学建设与改革项目。