[發明專利]基于銅催化的二氧化碳微傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202310543279.7
• 申請日: 2023-05-15
• 公開（公告）號: CN116577394A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 康福星
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30;G01N27/26;G01N27/48
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理有限公司 11562
• 代理人: 高天星

本發明提出了基于銅催化的二氧化碳微傳感器及其制備方法，包括：電極外殼；電極外殼的一端設置有第一透氣膜；在電極外殼內部設置有工作電極、參比電極和保護電極，并浸沒于電解液中；在極化電壓下，參比電極與工作電極、參比電極與保護電極分別形成兩個閉環極化電路；三者均指向第一透氣膜。本發明的二氧化碳微傳感器靈敏度更高，達到了微摩爾每升級別的檢出限，傳感器探頭直徑尺寸為微米級，對沉積物或者土壤等樣品可無損原位監測，抗干擾能力較強，較低的極化電壓避免了析氫、氧化亞氮等干擾信號的發生，能適用于復雜環境。

技術領域

本發明屬于環境監測技術領域的電化學微傳感器技術，尤其涉及基于銅催化的二氧化碳微傳感器及其制備方法。

背景技術

面對全球日益嚴峻的氣候變化問題，其核心問題是保證經濟不受明顯干擾的情況下，減少二氧化碳溫室氣體的排放。因此，根據不同監測目標環境，二氧化碳的環境監測的技術手段應具有多樣化。

目前，市場上的二氧化碳監測依賴于兩種技術手段。一種是利用二氧化碳紅外吸收特征譜發展的二氧化碳傳感器裝置。這類傳感器被廣泛地應用于工業和農業生產環境中，但由于其進氣與檢測電子模塊集中在一個系統中，其尺寸較大(若干厘米到幾十厘米不等)、仍難以被應用于微米或者亞厘米微環境梯度中的二氧化碳濃度檢測。第二種傳感器是以歐洲Unisense公司發明的基于電化學的二氧化碳傳感器。該傳感器與本申請結構基本類似，但其缺點是壽命較短(三個月左右)、非選擇性催化、較高的極化電壓(-720mV)，使傳感器對溶劑環境中的氫質子相對敏感、導致析氫信號的干擾。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供基于銅催化的二氧化碳微傳感器及其制備方法，針對環境土壤、生物系統中二氧化碳的監測的微傳感器技術進行了改進，是屬于微型傳感器中的新成員。環境中二氧化碳氣體經過透氣膜擴散進入含鹽的保護套中，除去干擾的氣體，而后進一步經二層透氣膜滲透浸入電解液中的工作電極表面。在極化電壓驅動下，氣體發生選擇性催化還原，工作電極和偽參比電極間產生極化微電流，該微電流信號與被檢測的氣體濃度呈正比。

為實現上述目的，本發明提供了基于銅催化的二氧化碳微傳感器及其制備方法，基于銅催化的二氧化碳微傳感器，其特征在于，包括：電極外殼，

所述電極外殼的一端設置有第一透氣膜；

在所述電極外殼內部設置有工作電極、參比電極和保護電極；所述工作電極、參比電極和保護電極均位于電極內腔室，并浸沒于電解液中；在極化電壓下，參比電極與工作電極、參比電極與保護電極分別形成兩個閉環極化電路；三者均指向所述第一透氣膜；其中，所述工作電極位于所述第一透氣膜上方第一預設距離處，用于極化經所述第一透氣膜擴散至電極表面的二氧化碳氣體；所述保護電極位于所述第一透氣膜上方第二預設距離處，用于削減中間反應產物的信號干擾；參比電極位于腔室最上方，以及位于所述工作電極的另一端，用于構成回路。

可選地，所述電極外殼的前端設置有移除氧氣干擾物的、內部填充有酸性氯化亞鉻溶液的電極保護套；所述電極保護套位于所述第一透氣膜的下方，與所述電極外殼上部通過環周膠黏，形成相對封閉的、內部填充除氧溶液的電極結構。

可選地，所述電極保護套的尖端出口處設置有第二透氣膜，所述電極保護套中含有酸性氯化亞鉻溶液。

可選地，所述電極外殼內部還含有電解液，所述電解液采用單一離子液體，所述電解液用于抑制環境本底中的氫質子。

可選地，所述電極外殼采用拉制的玻璃構成，其中一端為尖端結構，另外一端與導線連接，并通過膠黏，形成內部與外界隔絕、中空能夠預先填充電解液的所述電極內腔室；所述電極外殼的尖端直徑為微米級別，在所述電極外殼的尖端出口處設置有所述第一透氣膜。

可選地，所述工作電極包括：中空玻璃絲，所述中空玻璃絲中插入有包含尖端和尾端的鉑絲，所述鉑絲的尖端和尾端暴露于所述中空玻璃絲外、與導線相連接，以向外傳輸電流極化信號。