一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法
2023-05-20 04:18:26 1
專利名稱：一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種用於人體口腔中酒精氣體含量測試及一般氣體中酒精濃度測試的傳感器。
背景技術：
傳感器除廣泛應用於警察測量駕駛員酒後駕車外，也開始有了一些新的用途。例如汽車自動鎖(interlock)，使酒後駕車人員無法啟動汽車發動機，從根本上杜絕因酒後駕車而引起的交通事故。傳統的燃料電池式酒精傳感器的結構如附圖所示，上下兩片多孔塑料片吸附電解質3，兩面鍍有貴金屬催化劑塗布鉑粉形成電極2，密封於PVA塑料盒6中，電極兩面通過導線8引出，外接一電阻4。當口腔中含酒精的氣體從進氣口1進入傳感器腔內時。與塑料片上方催化電極接觸，使乙醇失去電子，外電路接通後，便形成電流。電流在電阻兩端產生輸出電壓，這樣，口腔氣體中乙醇含量越高，電極表面生成電子數越多，直接反應在輸出電壓值上。通過對輸出電壓的測量，即可精確知道人體血液中的乙醇含量。
該傳感器存在以下幾個問題a多孔塑料片的孔徑多為10-20微米，對水的保持能力有限，隨時間的推移，水不斷揮發，引起電解質濃度變化，從而影響測量精度；b電極是使用0.5-1.0微米的鉑粉製成漿料塗布於塑料片表面或直接在塑料表面通過化學反應析出鉑粉而製成的，這樣表面電阻較高而會降低傳感器的感度；也有用鍍金來降低表面電阻的方法，這樣一來提高了成本；c用作電極的鉑粉沒有進行有效的防氧化處理，影響了傳感器的使用壽命。
一般來說，減小作為電極氧化反應催化劑鉑粉的粒徑，增加了粉體的表面積，能有效地提高傳感器的感度和縮短感應時間，但與此同時粉體更易被氧化，也就是常說的催化劑的毒化，這樣一來反而破壞了傳感器的耐久性。目前已商業化的傳感器無法解決這一矛盾。
《一種對乙炔、酒精敏感的氣敏材料及其製作方法》(專利申請號98125730)，它是以鎘、銦、釤的氧化物或鹽為原料，製得含離子摩爾比為Cd∶Sm∶In＝1.65-1.5∶0.5-0.4∶2的混合溶液，用鹼液共沉澱，洗滌，過濾，烘乾，在800℃燒4小時所得的氣敏材料，它可做成氣敏元件。
發明內容
本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種能保持電解質狀態的穩定，增強電極同電解質的電子交換能力，使用壽命長的一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法。
本發明目的的實現方式為，一種新型燃料電池型酒精傳感器，兩電極密封於PVA塑料盒6中，電極兩面通過導線8引出，外接一電阻4，兩電極為上、下兩片離子交換膜吸附電解質3，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑塗布鉑粉所形成的電極2。
一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法，其具體步驟如下a、離子交換膜經酸和雙氧水衝洗，表面粗化，電子線照射處理，b、將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、將納米鉑或鉑合金分散液塗布在離子交換膜表面製備出催化電極，d、電極兩面通過導線8引出，並密封於PVA塑料盒6中，外接電阻4。
本傳感器能保持電解質狀態的穩定，增強電極同電解質的電子交換能力，有高的感度和快的響應時間，使用壽命長。本製備方法科學合理。
附圖為氣體酒精傳感器結構示意中還有PVA塑料盒6的空氣進口5，出氣口7。
具體實施例方式
參照附圖，傳感器是上、下兩片離子交換膜吸附電解質，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑塗布鉑粉所形成的電極密封於PVA塑料盒中，電極兩面通過導線引出，外接一電阻。鉑合金為鉑與含鈀、金、鋨、釕、銥的單一和多組分的合金，其中鉑含量為50-90％。
下面舉出鉑合金催化劑的配方(100％)實施例1、鉑80 鈀20 2、鉑80 金20 3、鉑87 鋨134、鉑90 釕10 5、鉑83 銥176、鉑70 金20 鈀10 7、鉑72 金20 鋨87、鉑76 金20 釕4 8、鉑78 金20 銥29、鉑59 鈀21 金10 10、鉑69 鈀20 鋨1111、鉑70鈀20 釕10 12、鉑70 鈀20 銥1013、鉑77鋨13 金10 14、鉑67 鋨20 鈀1315、鉑71鋨20 釕9 16、鉑68 鈀20 銥1217、鉑65釕25 金10 18、鉑61 釕20 鈀1919、鉑70釕22 鋨8 20、鉑82 釕11 銥721、鉑81銥4 金15 22、鉑75 銥10 鈀15
23、鉑70 銥20 鋨10 24、鉑90 銥5 釕525、鉑60 金20 鈀10 鋨10 26、鉑70 金20 鈀5 釕527、鉑66 金20 鈀10 銥428、鉑71 鈀5 金20 鋨429、鉑64 鈀10 釕6 鋨10 30、鉑62 鈀9 鋨10 銥1931、鉑58 金20 鈀12 鋨10 32、鉑60 釕20 鈀10 鋨1033、鉑55 銥15 鈀20 鋨10 34、鉑77 釕10 鈀10 鋨335、鉑78 釕6 鈀10 金636、鉑75 釕2 金20 鋨337、鉑54 金20 鈀10 鋨6釕1038、鉑52 金21 鈀10 鋨7銥1039 鉑58 銥20 鈀10 鋨6釕640 鉑50 金20 銥10 鋨10 釕1041、鉑52 金18 鈀12 銥8鋨5 釕5製備的具體步驟為，離子交換膜經處理，將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，塗布在離子交換膜表面製備出催化電極，電極兩面通過導線引出，並密封於PVA塑料盒中，外接電阻4。
傳感器最關鍵部件是兩面塗布有催化電極材料的電極，本發明採用美國Dupont公司生產的離子交換膜，為更好地發揮離子交換膜的特性，對其表面進行了經酸和雙氧水衝洗，表面粗化，電子線照射等處理。
本發明採用了化學還原法製備納米級鉑合金粉，緻密地附著在離子交換膜表面，從而保證了極低表面電阻的同時，有效的提高了傳感器的感度和防氧化性，進而極大的延長了傳感器的使用壽命。
本發明的電極材料由化學反應得到，鉑或鉑的合金納米粒子由鉑或鉑的合金鹽的水溶液通過還原反應而製得。還原液中的還原劑可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、檸朦酸、檸朦酸鈉、水合肼、氨水、硼氫化鈉或DMF(N，N-dimethylform amide)。為得到更小粒徑的納米鉑以提高傳感器感度，可以在反應液中加入與H2PtCl6摩爾比為5-20倍量的PVP(Polyvinylpyrrolidone)作為保護劑。
塗布採用直接浸塗或從水分散液中離心或蒸發分離出的合金納米粉製成漿料後進行絲網印刷。絲網印刷方式是以PVP為膠粘劑，以水為溶劑，通過三輥研磨機分散成漿料，絲網印刷到離子交換膜表面。還可以使反應液直接在離子交換膜表面發生還原反應而生成納米薄膜。
將採用美國Dupont公司生產的Nafion117離子交換膜，鍍上含20％的鈀(Pd)的鉑(Pt)合金製成的傳感器單體同加拿大ACS公司單體做同樣測試，結果見下表 注 感度為無單位相對值，隨外接電阻值而變化，直接對應輸出電壓，同氣體中酒精濃度成正比，響應時間(response time)指取樣開始到感度達到峰值(peak voltage)時的時間，回歸時間(recovery time)指感度從峰值開始到感度為零為止的時間。
本傳感器有更高的感度和更快的響應時間。
權利要求
1.一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法，兩電極密封於PVA塑料盒(6)中，電極兩面通過導線(8)引出，外接一電阻(4)，其特徵在於兩電極是由上、下兩片離子交換膜吸附電解質(3)，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑塗布鉑粉所形成的電極(2)。
2.一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法，其特徵在於鉑合金為鉑與含鈀、金、鋨、釕、銥的單一和多組分的合金，其中鉑含量為50-90％。
3.權利要求1所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的製備方法，其特徵在於其具體步驟如下a、離子交換膜經酸和雙氧水衝洗，表面粗化，電子線照射處理，b、將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、將納米鉑或鉑合金分散液塗布在離子交換膜表面製備出催化電極，d、電極兩面通過導線8引出，並密封於PVA塑料盒6中，外接電阻4。
4.根據權利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的製備方法，其特徵在於電極材料由化學反應得到，鉑或鉑的合金納米粒子由鉑或鉑的合金鹽的水溶液通過還原反應而製得。還原液中的還原劑可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、檸朦酸、檸朦酸鈉、水合肼、氨水、硼氫化鈉或DMF(N，N-dimethylform amide)。
5.根據權利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的製備方法，其特徵在於納米鉑或鉑合金在分散液中通過三輥研磨機(3-rolls miller)分散成漿料。
6.根據權利要求4所述的一種新型燃料電池型酒精傳感器的製備方法，其特徵在於塗布採用直接浸塗或從水分散液中離心或蒸發分離出的合金納米粉製成漿料後進行絲網印刷。
全文摘要
一種新型燃料電池型酒精傳感器及其製備方法，用於人體口腔中酒精氣體含量測試及一般氣體中酒精濃度測試的傳感器。傳感器是上、下兩片離子交換膜吸附電解質，兩面鍍納米鉑或鉑合金催化劑塗布鉑粉所形成的電極密封於PVA塑料盒中，電極兩面通過導線引出，外接一電阻。製備的具體步驟為，離子交換膜經處理，將納米鉑或鉑合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，塗布在離子交換膜表面製備出催化電極，電極兩面通過導線引出，並密封於PVA塑料盒中，外接電阻。本傳感器能保持電解質狀態的穩定，增強電極同電解質的電子交換能力，有高的感度和快的響應時間，使用壽命長。本製備方法科學合理。
文檔編號G01N27/407GK1609607SQ200410061159
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月22日 優先權日2004年11月22日
發明者賀平, 金航 申請人:賀平, 金航