纸质低成本电化学CO气体传感器

詹志鹏+秦超凡+张小水

摘 要针对目前电化学气体传感器体积大，工序多，工艺复杂的问题。本文在玻璃纤维纸上采用丝网印刷技术制备铂黑电极，一个传感器的三个电极处在同一纸平面上，有效地降低了装配难度，提高了工作效率，装配后得到了体积小、成本低的三电极电化学CO气体传感器，并利用扫描电子显微镜（SEM）对电极材料表面的物质形貌和大小进行了观察。结果表明铂黑催化剂和聚四氟乙烯混合均匀，铂黑粒径在13 纳米，传感器灵敏度达到了18.6 nA/ppm CO，响应时间和恢复时间分别小于5秒和20秒，可见我们的传感器有非常好的气敏性能，能够满足应用需要。

【关键词】纸基电极 电化学传感器 平面电极 一氧化碳

1 介绍

为适合工业及民用小型便携式和可穿戴式检测仪表开发和应用，低成本、小型化、低功耗的柔性传感器是气体传感器的一个重要发展方向。目前市场上常用的气体传感器包括半导体金属氧化物类、催化燃烧类和电化学类传感器这三种传感器。半导体金属氧化物和催化燃烧传感器通常工作温度在300℃左右，高温的传感器存在烫伤和着火等安全隐患，不能用在可穿戴设备中。电化学传感器有精度高、稳定性好的优点，它是工业和环境监控领域用到的高端气体传感器。尤其是电化学传感器在常温下工作，它在柔性可穿戴领域具有独特优势。

目前电化学气体传感器存在的问题是体积大、结构复杂、装配工序多，造成传感器陈本高，也不能够适应柔性可穿戴方面的应用。纸质传感器的出现可以克服上面说的电化学传感器的缺点。2009年Dungchai W.等最早报道的纸质电化学装置用于分析生物样品经过氧化酶催化反应生成的H2O2，随后纸质电化学传感器研究不断出现并快速增长，最近几年来比较多文献出现，主要是在电化学生物传感器研究领域 ，电化学气体传感器领域只有有少量文章报道。

CO是不完全燃烧产生的无色、无味气体，每年冬天都有报道人们CO中毒或死亡，因此CO气体的监控和分析是十分重要的。电化学传感器常用来测CO气体。它有传感器灵敏度高、线性好、功耗低、本质安全等独特的优点，很多CO监控的地方都用到。目前， 国内外已经形成了多家具有较大生产规模的电化学传感器生产商，如英国Alphasense公司，德国EC Sense公司和国内郑州炜盛电子等公司均生产CO电化学传感器。

本文以CO传感器为例，报道了纸质低成本电化学CO气体传感器的制造方法。在玻璃纤维纸上，采用丝网印刷技术制备铂电极，装配后就得到纸质的三个电极电化学CO气体传感器，我们的传感器对CO有较高的灵敏度和快速响应恢复等气敏性能，从而获得了成本极低的纸质电化学CO传感器。

2 实验

2.1 试剂与仪器

铂催化剂参照本文作者报道的方法制备，氯铂酸（H2PtCl6·6H2O），37%，贵研铂业股份有限公司；聚四氟乙烯乳液（PTFE），60%，Nafion溶液，10%，Dupond公司；CO标准气体，99.95%，大连大特气体有限公司；其他试剂均为分析纯，都购自国药集团。扫描电子显微镜，JSM-7500F，日本电子株式会社；电化学传感器测试仪，WS-ME04，郑州炜盛电子科技有限公司。

2.2 电极制备和传感器装配

称取1g铂黑，加入一定量松油醇混合均匀，然后加入0.5ml 60%的聚四氟乙烯乳液，搅拌均匀成浆料。将制备的浆料均匀涂抹在丝网上，采用丝网印刷技术在玻璃纤维纸上印刷铂黑电极，经过洗涤、干燥和裁剪后得到由三电极组成的气体扩散铂黑电极组。图1是电极照片，电极组直径6mm，图1中半圆形大电极为工作电极，面积11.2mm2，另外两个形状和大小相同电极分别为参考电极和对电极。图1中加入1元硬币作为参照物，方便比较电极大小和厚度。然后将所得电极组用10% nafion溶液浸湿，100℃干燥，按照电流型三电极传感器装配传感器，经老化2天后在电化学传感器测试仪上测量气敏性能。

3 结果与讨论

3.1 印刷电极SEM分析

图2为印刷电极的SEM照片。图2中细小球形颗粒为纳米铂黑催化剂，铂黑的平均粒径为13nm。大而不规则的颗粒为PTFE颗粒。由图可以清楚看出，细小的铂黑催化剂颗粒和粗大的PTFE颗粒均匀混合在一起，所制备的铂黑为纳米球形颗粒，分散的非常良好。

3.2 传感器的性能

图3是CO传感器输出电流信号与一氧化碳气体浓度之间的关系。在50-1000 ppm浓度范围内，传感器输出信号和气体浓度间都具有良好的线性关系。计算出传感器的灵敏度为18.6 nA/ppm CO （20℃，200ppm CO）。

电化学气体传感器灵敏度多在80 nA/ppm左右，而我们的传感器对CO灵敏度似乎过低，不能满足实际应用需要。实际应用中并不是灵敏度越高越好，为了满足不同应用需要，生产商会根据需要调整传感器灵敏度，例如Alphasense公司有多个型号的电化学CO气体传感器，其中一种型号为CO-AE的CO传感器，其灵敏度在10-25nA/ppm之间（http：//www.alphasense.com/）。可见我们研制的传感器灵敏度完全能够满足实际应用需要。研究表明电化学气体传感器电流大小与传感器工作电极的面积成正比，电极面积大，灵敏度高，反之灵敏度就低。因此我们研制的传感器整个传感器体积小，工作电极面积也小，所以灵敏度低。

气体传感器通常用在可燃气体和毒性气体的监控和检测，因此传感器快速响应和恢复，才能够有足够的时间处理应急事件，保证人民的生命和财产安全。图4给出了传感器响应和恢复情况，从图4可以计算出该传感器对200ppm CO 响应时间小于5s，恢复时间小于20s，与文献中纸基平面电化学气体传感器相应恢复时间比较，我们研制的传感器相应和恢复时间最短。

4 结论

本文在紙基材料上设计和构造一种新的电流型电化学气体传感器，纸基基底材料应用为柔性可穿戴气体传感器实现提供了可能，丝网印刷工艺能够实现传感器电极的规模化生产，平面电极形式为电化学传感器的集成化和智能化提供了一个平台。endprint

研制的纸基平面电流型电化学CO气体传感器不仅具有制造工艺简单、体积小等优点，而且保持了较高的灵敏度，快的响应和恢复等传统CO电化学传感器的优点。证明了在纸基上构建平面的、小型的电化学传感器是可能性，也为制造价格非常低廉的电化学气体传感器提供了一种方法。

参考文献

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作者單位

1.郑州外国语新枫杨学校 河南省郑州市 450000

2.汉威科技集团股份有限公司 河南省郑州市 450001endprint