[發明專利]具有含單烷基銨、二烷基銨或三烷基銨陽離子中至少之一的離子液體電解質體系的電化學氣體傳感器

有效

• 申請號: 200980147885.5
• 申請日: 2009-11-25
• 公開（公告）號: CN102227630A
• 公開（公告）日: 2011-10-26
• 發明（設計）人: 羅爾夫·埃克哈特;拉爾夫·瓦拉茨
• 申請（專利權）人: MSA奧爾有限責任公司
• 主分類號: G01N27/49
• 分類號: G01N27/49
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;吳鵬章

對相關申請的交叉引用

本申請要求2008年12月1日提交的德國專利申請號10?2008?044?240.2的權益，所述專利的公開內容通過引用并入本文。

發明背景

氣體傳感器的基本測量元件是電化學電池，所述電化學電池包括經電解質(即離子導體)相互接觸的至少兩個電極。在電池對大氣開放的一側上，氣體可以流到其中一個電極(工作電極或傳感電極)，并在該處被電化學轉化。由該轉化產生的電流與所存在的氣體的量成比例。例如可用于提供警報的信號由電流產生。文獻中描述了多種電解質體系。硫酸是最常用的電解質之一，并且用于常用氣體如CO、H₂S或O₂的傳感器中。例如，參見美國專利No.3,328,277。

由于某些待測氣體僅在中性電化學介質中具有足夠的反應性，因而還已描述了包含中性或堿性無機鹽作為導電鹽的含水電解質。例如，參見美國專利No.4,474,648和德國專利No.DE?4238337。

上述電解質體系是吸濕性的(即，它們可從周圍環境吸收水)。吸濕性電解質可期望用于干燥或低濕度環境以延遲電池的干燥。然而，在高濕度環境下，吸濕性電解質可吸收過多的水而致使電解質從電池中泄露。為了防止電解質的這種泄露，傳感器電池通常包括大約5至7倍于其電解質填充體積的額外體積或儲備體積。這種大儲備體積的包括與減小傳感器電池的總體尺寸的一般目的不符。

在許多傳感器中，使用含有混于其內以確保離子導電性的導電鹽的有機液體作為電解質來限制高濕度環境下的水分吸收。例如，參見美國專利No.4,169,779。然而，在高相對濕度下的優點在低濕度和/或高環境溫度下變成缺點，因為無法從大氣中再吸收蒸發的溶劑，因此其從傳感器電池中失去而不能回收。

離子液體(IL)也已經被用作電解質。離子液體被定義為熔點低于100℃的液體鹽。某些離子液體的鹽狀結構導致不存在可測量的蒸氣壓。離子液體的性質變化很大，并且取決于例如在離子液體中存在的有機側鏈以及其陰離子和陽離子的類型和數目。熔點低于-40℃的離子液體也是可用的。許多離子液體既是化學穩定的也是電化學穩定的，并且具有高的離子導電性。多種離子液體在可測量條件下不是吸濕性的。這種性質使離子液體成為電化學氣體傳感器中的良好電解質。

首次描述的離子液體在氣體傳感器中的使用是與高二氧化硫濃度有關的使用。Cai等人，Journal?of?East?China?Normal?University(Natural?Science)，article?number?1000-5641(2001)03-0057-04。離子液體作為氣體傳感器中的電解質的用途也已公開于，例如英國專利No.GB?2395564、美國專利No.7,060,169和公開的德國專利申請DE?102005020719。GB?2395564一般性地描述了離子液體作為電解質的用途。美國專利No.7,060,169公開了純咪唑鹽和吡啶鹽作為離子液體電解質的用途。公開的德國專利申請DE?102005020719公開了在不用擴散膜的情況下形成開放式氣體傳感器的可能性。這種技術在使傳感器小型化中的使用潛力在公開的德國專利申請DE?102004037312中有述。

盡管離子液體在多種氣體傳感器中用作傳統(氣態)電解質的替代物，但是在離子液體中的化學過程與含水和有機體系中的那些化學過程根本不同，并且離子液體中的化學過程并未得到充分表征。例如參見P.Wasserscheid，Angew.Chem.2000，112，3926-3945和K.R.Seddon，Pure?Appl.Chem.第72卷，第7期，第1391-1398頁，2000。

發明內容

在一個方面中，電化學氣體傳感器包含離子液體作為電解質。所述離子液體包含選自單烷基銨陽離子、二烷基銨陽離子和三烷基銨陽離子中的至少一種陽離子。所述陽離子的各個烷基可以是支化的或非支化的，并且可具有1至4個碳原子。在所述二烷基銨陽離子和所述三烷基銨陽離子的情況下所述陽離子的各個烷基可相同或不同。在多個實施方案中，所述各個烷基具有2至4個碳原子。

所述電化學氣體傳感器的所述電解質例如可以以至少90％的程度被吸入固體材料中或者所述電解質可以不含吸收劑。

在多個實施方案中，所述電化學氣體傳感器包括至少兩個電極，所述至少兩個電極與所述離子液體離子接觸，并且通過至少一個隔離器或通過空間彼此電絕緣。