电化学气体传感器在环境监测上的应用

电化学气体传感器在环境监测上的应用

( 班级:应化08-1班学号:2008301989 姓名:张艳)

【摘要】本文主要介绍电化学气体传感器的主要类型，并根据各种传感器的类型说明主要用于何种环境监测。同时，简单介绍一下目前几种新型的传感器的应用现状和发展前景。

【关键词】电化学气体传感器；环境监测；TiO2纳米管；碳纳米管；纳米金；电化学免疫传感器

1.前言

环境污染问题是现在世界统一关注的热点问题，而大气是人类赖以生存的重要环境要素之一。大气污染会产生一系列的环境问题。当今全球大气环境问题主要有温室效应、酸雨、臭氧层破坏等。对生态环境的监控，实际上是人类自我保护的一种措施。因此，在环境监控中提出需要获取的各种信息。主要是围绕危害生态及人类健康的各种参数。大气污染监测的对象是整个空气中的物质。而空气中对人类生存环境威胁较大的污染物主要有：一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和光化学氧化剂等。因此，定量检测大气污染物是非常必要的。【1-2】

传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。因此电化学气体传感器作为一种有效、快捷的检测工具被广泛用于环境监测中来。

2.电化学气体传感器的主要类型

电化学气体相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学式气体传感器是一种化学传感器，按照工作原理一般分为以下几种类型:

（1）原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。

（2）恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害的主流传感器【3-4】。

（3）浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

（4）极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。

目前，环保领域主要使用的是毒性气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。应用最多的是定电位电解式电化学气体传感器，对CO、H2S、NH3、SO2、

NOX 、Cl 2及其它化合物蒸气，如HCl 、HCN 等有毒气体的检测。表1汇集了各类电化学气体传感器的种类检测原理所用材料与特点。

表1各种电化学气体传感器的比较

【3-5】

3.几种新型传感器的应用及发展前景

3.1 TiO 2纳米管在气体传感器上的应用[6]

从Varghese 等首先提出的对 H 2敏感的 TiO 2 纳米管气体传感器逐渐发展改进到室温下工作的传感器；再到后来马士才采用的电化学阳极氧化法研究一种对甲醇敏感的TiO 2 纳米管气体传感器；其后相继研究出关于二氧化氮、一氧化碳、氢气、乙醇、甲苯等敏感的TiO 2 纳米管气体传感器。

3.2 多层碳纳米管修饰的DNA 电化学传感器[7-9]

基于DNA/ ZrO2 / MWCN T/ GCE 结构制备高灵敏度的 DNA 电化学传感器，这种传感器在室温下应用电化学方法将氧化锆多孔薄膜沉积至多壁碳纳米管修饰玻碳电极(MWCN T/ GCE)上。多壁碳纳米管(MWCN T)大的比表面积、良好的电子传递性能、氧化锆的生物相容性和对 DNA 极好的吸附能力，能够显著提高DNA 探针的固定量和DNA 杂交的检测灵敏度。

3.3 纳米金电化学传感器【10-11】

典型的纳米金电化学传感器是由阴极（检测电极）和阳极组成的，电极用纳米金进行改性，电极之间有一薄层电解质。纳米金电化学传感器的优点是反应时间短，灵敏度高，可选择性，纳米金电化学传感已经获得了广泛的应用，可用于测量气体、液体的浓度和生物传感等。纳米金粒子固有的尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等使其呈现出奇异的光学和电学性质，同时还具有良好的生物相容性，在构建各类生物传感器和气体传感器方面发挥了广泛的作用。

3.4 电化学免疫传感器【12】

免疫传感器是将免疫测定法与传感技术相结合而构建的一类新型生物传感器，应用于痕量免疫原性物质的分析研究.它利用动物体内抗原、抗体能发生特异性的吸附反应的性质，将抗原(或抗体)固定在传感器基体上，通过传感技术使吸附发生时产生物理、化学、电学或光学上的变化，转变成可检测的信号来测定环境中待测分子的浓度。能够检测痕量有害物质，因此在环境监测中的应用日益广泛。

种类

现象 传感器材料 特点 恒电位电解式 电解电流 气体扩散电极

电解质水溶液 通过改变气体电极，电极电位等可测量：CO 、H 2S 、NO 、NO 2、SO 2、HCl 等

离子电离式 电极电位的变化 离子选择点击，电解质水

溶液，多孔聚四氯乙稀膜 选择性好，可测量：NH 3、HCl 、HCN 等

电量式 电解电流 贵金属正负电极

电解质水溶液

选择性好，可测量：NH 3、H 2S 、Cl 2 等 固体电解质式 测定电解质浓度差

产生的电势 固体电解质 适合低浓度测量，需要基准气体，耗电，测量：CO 2、NO 2、H 2S 等

4.结束语

环境监测作为环境保护的一个重要手段 ,通过及时、准确、全面地反映环境质量现状及发展趋势 ,为环境管理、规划、科学研究提供依据。随着国家环保控制力度的不断加大，环保领域气体检测仪器仪表的用量也逐年增加，环保领域气体传感器的用量逐年增加，如用于检测汽车尾气、工厂废气、烟道气、室内空气的电化学传感器等。随着电子技术、生物技术、光学技术的发展也推动了电化学传感器的研究，这些技术被应用于电化学传感器中，如碳纳米管、纳米金、生物抗体抗原性质等。因此，在目前各类气体检测设备中，电化学气体传感器占有很重要的地位，也为节能减排，环境保护发挥作用。

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