Амперометрический датчик для определения концентрации кислорода Советский патент 1987 года по МПК G01N27/46 

10

15

20

11354094

Изобретение относится к электроаналитической химии, в частности к устройствам для определения концентрации кислорода в жидких и газовых средах.

Цель изобретения - повышение чувст вительности, точности и быстродействия в диапазоне потенциала катода (-0,25)-0,1 В относительно водородного электрода в том же растворе и увеличение срока стабильной работы.

Пример.

,В качестве материала катода используют изотропный пироуглерод. Материал катода амперометрического датчика газоанализатора должен быть беспористым и активньи в рейкции электровосстановления дикислорода. Чтобы обеспечить высокие быстродействие, точност ь, чувствительность и длительный срок службы, необходим материал, на котором было бы велико перенапряжение вьщеления водорода, были длинная площадка 4-электронного предельного диффузионного тока, высокая селективность по кислороду и низкая чувствительность к ядам. Некоторым из этих требований удовлетворяют компактные углеродные материалы., всем этим требованиям отвечает только изотропный пироуглерод. Он беспорист, что обеспечивает необходимое быстродействие, имеет высокое перенапряжение вьщеления водорода и длинную пло- 35 щадку 4-электронного предельного тока, в результате чего линейность сигнала, отвечающая за точность измерений, сохраняется в большом диапазоне потенциалов. Высокая селективность материала по кислороду повышает чувст вительность датчика, так как выходной сигнал ,не искажается побочными реакциями, обычно протекающими на катоде. В отличие от других материалов сам изотропный пироуглерод инертен и не чувствителен к ядам, поэтому срок его службы высок.

ния тод ана

(-0 три емы

кис сут лор мем чик ции

вых из 2) го род рац

пос чих го бан апа лор обе сиг инт 0,

60 шае род оди 40 щой нос род тел

25

30

45

сущ зат акт ка чик /У1и лож ход ция

Таким образом, кроме очень низкой пористости (такую пористость имеют также стеклоуглерод, графит, анизотропный пироуглерод) и высокой активности в реакции электровосстановле- ния дикислорода (сравнима с активностью только анизотропного пироуглерода, отличающегося низкими прочност- нь1ми характеристиками) , изотропный пироуглерод отвечает всем требова

ниям, предъявляемым к материалу катода амперометрического датчика газо-, анализатора.

Катод датчика имеет потенциал (-0,25)-0,1 В и через внещнюю электрическую цепь соединен с неполяризуемым анодом из кадмия.

При условии нулевой концентрации кислорода на поверхности катода и отсутствии градиента концентрации кислорода в анализируемой среде вблизи мембраны выходной ток (сигнал) датчика прямо пропорционален концентрации кислорода в анализируемой среде.

На чертеже приведена зависимость выходного сигнала датчиков с катодом из изотропного пироуглерода (кривая 2) и из никеля (кривая 1) от рабочего потенциала по отношению к водородному аноду при постоянной концентрации кислорода.

Выходной сигнал датчика является постоянным в широком диапазоне рабочих потенциалов катода из изотропного пироуглерода, Учитьгоая, что колебания потенциала катода в полном диапазоне измеряемых концентраций кислорода составляют 10 мВ, пирографит обеспечивает линейность выходного сигнала датчика с точностью О,5% в интервале рабочих потенциалов (-0,25)- 0,10 В.

Смещение, потенциала катода на 60 мВ в отрицательв:ую сторону повыает скорость восстановления кислорода на изотропном пироуглероде на один порядок. Это .обеспечивает боль- щой резерв электрохимической активности катода из изотропного пироуглерода при выборе достаточного отрицательного потенциала.

Последнее обстоятельство является существенным, так как электрокатализаторы при длительной работе теряют активность и чувствительность датчика снижается. Чувствительность дат- чика повышена за счет того, что при /У1ительной выдержке катодами при положительных потенциалах не .проис- ходит его необратимая пассивация.

Сравнение основных параметров редлагаемого датчика и известного ри анализе выдыхаемого воздуха на содержание 0 дано в таблице.

±10

1,0

10

±0,5

0,01

20 серебром и никелем. Это позволяет стабилизировать метрологические характеристики и увеличить срок службы датчика.

25 Фор. мула.изобретения

Амперометрический датчик для определения концентрации кислорода, содержащий катод и кадмиевый анод в

Срок стабильной работы в пределах указанных параметров составляет у известного датчика в среднем 2 года, у предлагаемйго датчика этот срок .удлиняется более чем в два раза.

Катод вместе с высокой селективностью по отношению к кислороду поз- .воляет реализовать датчики с увеличенным быстродействием. Датчики с быстродействием 4-5 с на 90% от конеч- ЗО электролите, отделенные от анализи- ного сигнала (при 20 С) работают с руемой среды селективной газопрони- неизменными метрологическими парамет- цаемой мембраной, отличающий с я тем, что, с целью повышения чувствительности, точности и бы- 35 стродействия в диапазоне потенциала катода (-0,25) -0,1 В относительно водородного электрода в том же растворе и увеличения срока стабильной работы, катод выполнен из изотропно- 40 го пироуглерода.

рами в течение 1,5 года.

Таким образом, в датчике с катодом из изотропного пироуглерода благодаря высокому перенапряжению водорода на изотропном пироуглероде можно реализовать рабочие потенциалы катода практически до ,25 В, тогда как в сл5гчае катодов из драгоценных

54094

металлов и никеля ниже ,О.В начй-- нается вьщеление газообразного водо- S рода.

5 Предлагаемый датчик имеет более высокую точность и чувствительность, так как первоначальная активность катода превышает активность платины на четыре порядка, что является ос10 новой для долговременной работы датчика без изменения метрологических характеристик.

Изотропный пироуглерод, который предлагается использовать в качестве

15 катода для электрохимического датчика, отличается существенно меньшей адсорбционной активностью по отношению к примесям (СО, органические вещества) по сравнению с платиной,

20 серебром и никелем. Это позволяет стабилизировать метрологические характеристики и увеличить срок службы датчика.

25 Фор. мула.изобретения

Амперометрический датчик для определения концентрации кислорода, содержащий катод и кадмиевый анод в

ЗО электролите, отделенные от анализи- руемой среды селективной газопрони- цаемой мембраной, отличающий с я тем, что, с целью повышения чувствительности, точности и бы- 35 стродействия в диапазоне потенциала катода (-0,25) -0,1 В относительно водородного электрода в том же растворе и увеличения срока стабильной работы, катод выполнен из изотропно- 40 го пироуглерода.

Лб/ДГ

95

30

-300 -200 -100 О 100 WO ЪОО 400

Редактор И.Горная

Составитель М.Вишневский

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Кравцова

Заказ 5687/39 Тираж 776 Подписное ВНИШИ Государственлого комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород,ул.Проектная,4

Изобретение может быть использовано в аналитической химии для определения концентрации кислорода в жидких и газовых средах путем измерения тока его восстановления на катоде амперометрического датчика. Целью изобретения является повьппение чувствительности, точности, быстродействия в диапазоне потенциала катода от (-0,25) до О,1 В относительно анода в том ,же растворе и увеличение срока службы. Поставленная цель достигается применением изотропного пиролити- ческого углеводорода в качестве катода и поддержания потенциала этого катода в интервале (-0,25) -0,1 В от-, носительно водородного электрода. Материал катода, его потенциал позволяют повысить скорость восстановления кислорода, электрохимическую активность и уменьшают адсорбционную активность по отношению к примесям. 1 ил. 1 табл. (Л с 00 ел со N