[發(fā)明專利]一種低貴金屬用量甲醛傳感器膜電極組件及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510908768.3
• 申請日: 2015-12-09
• 公開（公告）號(hào): CN105372308A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐浩林;袁定勝
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東南海普銳斯科技有限公司
• 主分類號(hào): G01N27/333
• 分類號(hào): G01N27/333
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻;梁瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種低貴金屬用量甲醛傳感器膜 電極組件及其制備方法。

背景技術(shù)

甲醛是合成樹脂、油漆、人造纖維的重要原料，特別是家居、辦公場所所 使用的人造板及其膠粘劑，其甲醛釋放期長達(dá)15年，是室內(nèi)空氣中主要污染物 之一。作為一種原生質(zhì)毒物，甲醛對(duì)人體健康的危害具有長期性、潛伏性和隱 蔽性。世界衛(wèi)生組織己將甲醛列為重要的環(huán)境污染物，規(guī)定室內(nèi)甲醛的最高容 許濃度不得超過80ppb，我國也規(guī)定居室空氣中甲醛的最高容許濃度不超過 60ppb(GB/T16127-1995)。由于傳統(tǒng)甲醛檢測方法難以原位、快速檢測低濃度 甲醛氣體，高靈敏甲醛氣體傳感器特別是具有快速響應(yīng)能力的燃料電池型電化 學(xué)傳感器近年來發(fā)展迅速。

電化學(xué)甲醛傳感器工作原理與燃料電池類似，利用還原性甲醛為燃料在工 作電極(催化層)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與空 氣中的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流或電壓信號(hào)與甲醛氣體濃度可 以建立對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛濃度的檢測。

由催化層和質(zhì)子交換膜組成的膜電極是電化學(xué)傳感器的關(guān)鍵組件，也是其 成本的主要構(gòu)成部分。專利CN101203749A公開了其電化學(xué)傳感器膜電極結(jié)構(gòu)， 其催化層由Pt族貴金屬(優(yōu)選為Pt)構(gòu)成。CN201410436908.7提供一種甲醛氣 體傳感器，包括進(jìn)氣外殼、密封外殼、進(jìn)氣口濾膜、膜電極組件、空腔支撐體、 陽極引線和陰極引線，其膜電極催化層由碳載Pt或者制備，雖然碳載體可以減 少Pt催化劑的用量，但是其催化劑載量仍然高達(dá)0.1-2mgcm-2。然而，由于多 孔炭載體具有對(duì)甲醛的吸附性，從而影響傳感器的測試精度，一般來說，傳感 器膜電極的催化層需要使用無載體的Pt黑(Pt納米顆粒)，這樣，在均勻涂敷 的前提下，鉑用量會(huì)大大增加。如CN201220202000.6公開了一種電化學(xué)甲醛傳 感器的催化反應(yīng)層，該催化反應(yīng)層為由聚四氟乙烯多孔通透膜卷繞而成的環(huán)狀 體，在聚四氟乙烯多孔通透膜的各孔中填充有由鉑粉、石墨粉、甲酸而成的膠 體。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有甲醛電化學(xué)傳感器催化層Pt活性表面利用率低、貴金屬Pt用量 較高，嚴(yán)重限制成本下降的關(guān)鍵問題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種低貴金 屬用量甲醛傳感器膜電極組件。

在膜電極催化層中，Pt貴金屬催化劑表面電化學(xué)反應(yīng)活性中心表面需要有 質(zhì)子傳導(dǎo)通道，傳統(tǒng)上一般采用催化劑與質(zhì)子傳導(dǎo)材料物理混合粘結(jié)形成。而 貴金屬納米顆粒表面有缺電子特性，負(fù)電荷的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物在Pt納米顆粒合 成過程中可以修飾在Pt納米顆粒表面，穩(wěn)定顆粒的物理結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這種質(zhì)子 傳導(dǎo)聚合物修飾Pt納米顆粒可以原位給催化劑表面電化學(xué)反應(yīng)活性中心原位提 供質(zhì)子傳導(dǎo)通道，從而提高Pt催化劑的使用效率。更為重要的是，這種質(zhì)子傳 導(dǎo)聚合物修飾Pt納米顆粒具有氫鍵給予能力，可以與可接受氫鍵的有機(jī)分子在 磺酸型質(zhì)子交換膜上交替層層自組裝形成質(zhì)子交換膜-催化電極(膜電極)組件。 由于每輪自組裝形成的是單層的納米顆粒層，載量非常低(μg/cm^-2)并完全平 鋪，所以可以形成超低Pt用量的質(zhì)子交換膜-催化電極(膜電極)組件。其載量 可以通過重復(fù)自組裝過程控制，具有很好的優(yōu)越性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種低貴金屬用量甲醛傳感器膜電極組件的制 備方法，該方法中由于每輪自組裝形成的是單層的納米顆粒層，載量非常低 (μg/cm^-2)并完全平鋪，所以可以形成超低Pt用量的質(zhì)子交換膜-催化電極(膜 電極)組件，其載量可以通過重復(fù)自組裝過程控制。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種低貴金屬用量甲醛傳感器膜電極組件，所述低貴金屬用量甲醛傳感器 膜電極組件是采用兼具質(zhì)子傳導(dǎo)能力和給氫鍵能力的離子聚合物修飾納米Pt顆 粒為甲醛氧化催化劑，并與可接受氫鍵的有機(jī)分子在磺酸型質(zhì)子交換膜上交替 層層自組裝形成的質(zhì)子交換膜-催化電極(膜電極)組件。

一種低貴金屬用量甲醛傳感器膜電極組件的制備方法，包括以下制備步驟：