[發(fā)明專利]以BiFeO3為敏感電極的CeO2基混成電位型丙酮傳感器、制備方法及其應用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810583209.3
• 申請日: 2018-06-06
• 公開（公告）號: CN108760848A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設計）人: 盧革宇;劉彤;梁喜雙;劉鳳敏;劉方猛;孫鵬;高原;閆旭
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種以BiFeO₃為敏感電極的CeO₂基混成電位型丙酮(acetone)傳感器、制備方法及其在大氣環(huán)境和糖尿病酮癥酸中毒中丙酮濃度檢測中的應用。傳感器依次由帶有Pt加熱電極的Al₂O₃陶瓷板、CeO₂基板、Pt參考電極和BiFeO₃敏感電極組成。參考電極和敏感電極彼此分立且對稱地制備在CeO₂基板上表面的兩端，CeO₂基板下表面與帶有Pt加熱電極的Al₂O₃陶瓷板粘結在一起。本發(fā)明中采用新型的CeO₂材料作為傳感器的離子導電層，并使用高電化學催化活性的BiFeO₃鈣鈦礦型氧化物材料作為敏感電極，通過改變基板種類來增大基底材料的離子電導率，達到提高傳感器敏感特性的目的。

技術領域

本發(fā)明屬于氣體傳感器技術領域，具體涉及一種以BiFeO₃為敏感電極的CeO₂基混成電位型丙酮(acetone)傳感器、制備方法及其在大氣環(huán)境和糖尿病酮癥酸中毒中丙酮濃度檢測方面的應用。

背景技術

丙酮，也被成為二甲基酮，是一種無色透明、有辛辣氣味、易燃、可溶于水合其他有機溶劑的飽和酮，被廣泛應用于農藥、涂料、油脂、噴漆等行業(yè)中，主要通過工業(yè)排放裝修等過程被排放到大氣環(huán)境中，人體長期吸入或接觸丙酮會引起呼吸系統(tǒng)和神經系統(tǒng)疾病。丙酮作為人體呼氣的組分之一，其濃度的變化與血糖、糖化血紅蛋白測定水平具有一定的相關性，因此成為在人體呼氣方面進行非侵入性診斷糖尿病的重要標志物。據(jù)報道，健康人呼吸中丙酮的平均濃度為0.3-0.9ppm，而1型糖尿病患者的呼吸中丙酮的平均濃度超過1.8ppm，是正常人的2～6倍。通過對人體呼氣中丙酮含量的檢測可以實現(xiàn)酮癥酸中毒并發(fā)癥的早期診斷，從而有效預防和治療糖尿病。當前，針對丙酮的檢測手段主要還是依賴于大型儀器，如氣相色譜/質譜分析法和微分遷移光譜法等，這些方法精度高但是由于需要專業(yè)技術人員操作，因而無法滿足大眾化的需求，并且這些儀器體積龐大、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。因此構建低成本、便攜式、高性能的丙酮傳感器成為研究熱點。

基于固體電解質YSZ(釔穩(wěn)定氧化鋯)和氧化物敏感電極的混成電位型傳感器在氣體檢測方面應用廣泛，但是其工作溫度通常超過800℃，在這樣的高溫下很難獲得高靈敏度，難于實現(xiàn)對低濃度丙酮的檢測。在中溫區(qū)(約600～800℃)工作的固體電解質之中，CeO₂基固態(tài)離子導電體受到廣泛關注，研究表明，純CeO₂具有典型的立方螢石結構，在室溫到熔點的溫度范圍內不發(fā)生相變，且摻雜Sm₂O₃和Gd₂O₃等稀土氧化物后的CeO₂具有較高的離子電導率和離子遷移數(shù)，比YSZ高1個數(shù)量級。可見，CeO₂作為新型的固體電解質材料，有很大的潛在應用價值。

CeO₂基丙酮氣體傳感器的敏感機理是：丙酮氣體通過敏感電極層向三相反應界面(TPB，氣體、敏感電極材料和CeO₂板的交界面)擴散，在擴散過程中由于發(fā)生反應(1)，丙酮的濃度會逐漸降低，氧化物敏感電極的多孔性決定丙酮濃度的降低程度。在三相反應界面處，同時發(fā)生氧的電化學還原反應(2)和丙酮的電化學氧化反應(3)，反應(2)和(3)構成一個局部電池，當反應速率相等時，達到平衡，敏感電極上形成混成電位，它與參考電極的電位差作為傳感器的檢測信號。檢測信號大小由電化學反應(2)和(3)的速率來決定，而反應速率取決于敏感電極材料的電化學和化學催化活性、電極材料微觀結構(比如材料的多孔性、粒度、形貌等)。

反應式如下：

C₃H₆O+4O₂→3CO₂+3H₂O (1)