[發明專利]基于質子交換膜的燃料電池型CO傳感器及其制備方法

無效

• 申請號: 201310600564.4
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103592352A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 盧革宇;梁喜雙;劉英偉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;王恩遠

技術領域

本發明屬于氣體傳感器技術領域，具體涉及一種基于質子交換膜的燃料電池型CO傳感器及其制備方法，該傳感器主要用于室內CO氣體的檢測。

背景技術

一氧化碳（CO）是一種無色、無臭、無味的氣體，空氣中的一氧化碳通過呼吸系統進入人體與血液中的血紅蛋白結合，其不僅降低血球攜帶氧的能力，而且還抑制、延緩氧血紅蛋白的解析與釋放，導致機體組織因缺氧而壞死，嚴重者則可能危及人的生命。因此，對大氣中（尤其是室內環境中）的一氧化碳檢測尤為重要，必須開發出適于室內檢測用的高性能一氧化碳氣體傳感器。市面上的CO傳感器主要有電化學式和半導體式兩種。電化學式氣體傳感器擁有很多優點，對檢測氣體有很好的選擇性和較高的靈敏度。但是，這一類傳感器造價高而且壽命短，同時由于這類傳感器廣泛使用液態電解質，其電解質溶液的泄漏可能會腐蝕器件。在使用過程中，溶劑含量因揮發和反應等因素發生變化，導致電解質的濃度改變，使器件失效。半導體式CO傳感器主要是金屬氧化物SnO₂氣體傳感器，其優點為靈敏度高、響應速度快、價格便宜、壽命長，但是這類傳感器長時間使用后會發生零點漂移，敏感度下降的現象，而且需要高溫工作，因此功耗高，且在檢測CO這種可燃性氣體時，一旦CO氣體濃度達到爆炸極限，器件就有成為引爆源的危險。為了克服現有傳感器的不足，必須開發高性能的新型CO氣體傳感器。

發明內容

本發明根據燃料電池的反應原理，目的在于提供一種新原理、新結構傳感器，在常溫下實現對CO的高靈敏度檢測。具體涉及一種基于質子交換膜（Nafion）的燃料電池型CO傳感器，由核心部分（1）與儲水罐（2）組成；其中核心部分（1）從上至下依次由擴散帽（3）、活性炭過濾層（5）、一側帶有Pt敏感電極（7）和另一側帶有對電極（8）的Nafion膜（6）、集電層（9）組成，儲水罐（2）為帶有集電層卡槽（11）的儲水槽（12），在擴散帽（3）上設置氣體擴散孔（4），在集電層（9）上設置有給水孔（10），活性炭過濾層（5）安裝在擴散帽（3）內，擴散帽（3）將活性炭過濾層（5）、Nafion膜（6）和集電層（9）壓緊并固定和限位在集電層卡槽（11）上，擴散帽（3）與儲水罐（2）間密封且絕緣。其結構示意圖如附圖1所示。

傳感器的制作過程如下：

一、傳感器外殼的設計與制作

1.制作導電的儲水罐（2）、擴散帽（3）和集電層（9）；

其中，儲水罐（2）包括集電層卡槽（11）和儲水槽（12）；擴散帽（3）是一個中空的帽子狀結構部件，頂部含有多個擴散孔（4），內部裝有活性炭過濾層（5）；集電層（9）是一個帶有給水孔（10）的薄片；

二、Nafion膜Pt電極的制備

利用化學沉淀法制備Nafion膜的Pt電極，其制作過程如下：

A.Nafion膜的預處理

(1)將Nafion膜置于H₂O₂溶液中（質量分數3～8%），水浴加熱1～2小時（水浴溫度50～100℃），取出后用去離子水沖洗3～5次；

(2)將上述步驟得到的Nafion膜放入H₂SO₄溶液（濃度0.2～1M）中水浴加熱1～2小時，取出后用去離子水沖洗3～5次；

(3)將上述步驟得到的Nafion膜浸入去離子水中，水浴加熱30～60分鐘，取出后用去離子水沖洗3～5次；

(4)重復步驟（3）3～5次，從而得到處理過的Nafion膜，放入去離子水中密封保存。

B.Nafion膜Pt電極的制備

(1)將預處理過的Nafion膜在20～40℃下干燥；

(2)將烘干的Nafion膜固定在分隔池中間，如附圖3所示，分離池由貴金屬溶液槽（13）和還原劑溶液槽（14）組成，兩槽間由Nafion膜（6）完全分隔；

(3)將H₂PtCl₆溶液（5～20mM）和NaBH₄溶液（40～70mM）分別加入到Nafion膜兩側的溶液槽中，常溫下靜置反應8～10小時，從而在接觸H₂PtCl₆溶液一側的Nafion膜（6）表面生長出一層厚度為5～20μm的Pt敏感電極（7）；

(4)調轉Nafion膜（6）的方向，重復操作步驟（3），可在Nafion膜（6）的另一側生長一層厚度為5～20μm?Pt對電極（8）；