Сенсоры водорода
ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Ю. А. Добровольский, Л. С. Леонова
Институт проблем химической физики РАН Институтский проспект, 14, Черноголовка, Московская область, 142432, Россия
E-mail: dobr@icp.ac.ru
Для анализа содержания водорода в газах используются химические сенсоры различного типа. В первую очередь, следует отметить полупроводниковые сенсоры, которые имеют сравнительно низкую стоимость, однако их селективность мала и они требуют значительного подогрева, что делает их применение для анализа высоких концентраций водорода проблематичным из-за взрывоопасности.
Для количественного анализа водорода чаще всего применяют электрохимические сенсоры водорода различного типа. Такие сенсоры по принципу их работы можно разделить на две большие группы: амперометрические (токовые, гальванометрические) и потенциометрические. Первые представляют собой микроэлектролизеры, на одном из электродров которых протекают реакции ионизации или окисления водорода. Ток, проходящий через такую ячейку, пропорционален концентрации водорода в окружающей среде. Несмотря на высокую точность, такие сенсоры имеют ограниченное распространение из-за небольшого срока службы и достаточно узкого интервала концентраций, которые могут быть детектированы.
Потенциометрические сенсоры представляют собой разомкнутый гальванический элемент. В них измеряется разность потенциалов между двумя электродами, один из которых контактирует с окружающей средой, а другой — с электродом сравнения (как правило, с электродом, над которым поддерживается строго постоянное давление водорода). Такие сенсоры обладают более низкой точностью детектирования, однако определяемый диапазон концентраций водорода гораздо более широкий, а срок службы — больше.
По типу ионного проводника, применяемого в ячейке, все электрохимические сенсоры можно разделить на три большие группы : а) жидкостные сенсоры; б) сенсоры на основе полимерных и загущенных электролитов; в) сенсоры на основе твердых электролитов или суперионные сенсоры.
Потенциометрические газовые сенсоры на основе твердых электролитов представлют собой электрохимические ячейки типа:
Н2, WE/H+-SE/RE, (1)
в которых WE — рабочий электрод, потенциал которого должен определяться электрохимическим про-
цессом, протекающим с участием водорода; Н+^Е — твердый протонопроводящий электролит, сохраняющий свой химический состав в широком интервале колебаний внешних условий, RE — электрод сравнения, потенциал которого не зависит от состава окружающей среды.
Если сенсор работает в условиях термодинамического равновесия и на рабочем электроде протекает лишь одна потенциалопределяющая реакция, зависимость ЭДС сенсора от концентрации детектируемого компонента описывается уравнением Нернста:
Е = Еа + а (2)
где С — концентрация электрохимически активного компонента в газовой фазе. Хотя в общем случае параметры Е0 и а могут быть рассчитаны теоретически, для низкотемпературных сенсоров наблюдаются значительные отличия теоретических значений от определенных экспериментально.
На рабочем электроде обоих видов водородных сенсоров протекают процессы восстановления кислорода и окисления водорода, и ЭДС ячейки носит смешанный характер; ее концентрационная зависимость может быть с хорошей точностью описана уравнением:
Е = Ео + а + в ^2(Са8). (3)
Изменение относительной влажности окружающей среды от 15 до 85% не влияет на параметры уравнений (2) и (3).
При использовании в качестве твердого электролита гетерополисоединений удалось получить сенсоры водорода, быстро и селективно определяющие концентрацию водорода в кислородсодержащих и инертных средах (таблица 1). Такие сенсоры чувствительны к содержанию монооксида углерода, поэтому измерения концентрации водорода в средах, содержащих количества СО, соизмеряемые с измеряемой концентрацией водорода, невозможны. Изменения температуры от -60 до +60 0С для сенсоров водорода не сказываются на их калибровочных характеристиках.
Поскольку сенсоры обладают высокими выходными сопротивлениями, для повышения помехоустойчивости в одном корпусе с сенсором помещается потенциометрический усилитель и преобразователь сигнала для передачи на большие расстояния.
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Таблица 1
Характеристики сенсоров на основе гетерополисоединений
Определяемый газ Диапазон концентраций, об.% Выходной сигнал, V Время жизни при макс. концентрации, мес. Рабочая температура, 0С Время отклика, сек (4990)
Н2 0,01-10 0-2 12 <60 30
н2 0,001-2 0-2 12 <60 30
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.