Амперометрический датчик для определения концентрации кислорода

 

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 пиролитического 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (А) 4 G 01 N 27/46

Ф

ВСЕСОЮЗНИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4093714/31-25 (22) 23.07.86 (46) 23.11.87. Бюл. Ф 43 (71) Институт электрохимии

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР.

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (72) Б.Н.Ефремов, Н.M.Çàãóäàåâà, Р.В.Марвет, M.P.Òàðàñåâè÷ и Т.Х.Яэтма (53) 53.087.9(088.8) (56) Патент Великобритании У 999009, кл. G О1 N 27/46, опублик. 23.07.65.

Авторское свидетельство СССР

11 604403, кл. G 01 N 27/46, 05.03.77. (54) АМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА (57) Изобретение может быть исполь-. зовано 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 диалазоне потенциала катода от (-0,25) до 0,1 В относительно анода в том,же растворе и увеличение срока службы. Поставленная цель достигается применением изотропного пиролитического 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.

1354094

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 активным в реакции электровосстановления дикислорода. Чтобы обеспечить высокие быстродействие, 2р точность, чувствительность и длительный срок службы, необходим материал, на котором было. бы велико перенапряжение выцеления водорода, были длинная площадка 4-электронного предельного диффузионного тока, высокая селективность по кислороду и низкая чувствительность к ядам. Некоторым

25 из этих требований удовлетворяют компактные углеродные материалы„ всем этим требованиям отвечает только изотропный пироуглерод. Он беспорист, что обеспечивает необходимое быстродействие, имеет высокое перенапряжека, в результате чего линейность сиг— нала, 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 чувcTBителен к ядам, поэто— му срок его службы высок.

Таким образом, кроме очень низкой

50 пористости (такую пористость имеют также стеклоуглерод, графит, анизотропный пироуглерод) и высокой активности в реакции электровосстановления дикислорода (сравнима с активностью только анизотропного пироуглерода, отличающегося низкими прочностными характеристиками), изотропный пироуглерод отвечает всем требование выделения водорода и длинную пло- g5 щадку 4-электронного предельного тониям, предъявляемым к материалу катода амперометрического датчика газо-, анализатора.

Катод датчика имеет потенциал (-0,25)-0,1 В и через внешнюю 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. Учитывая, что колебания потенциала катода в полном диапазоне измеряемых концентраций кис— лорода составляют 10 мВ, пирографит обеспечивает линейность выходного сигнала датчика с точностью 0,57. в

1 интервале рабочих потенциалов (-О, 25)0,10 В, Смещение потенциала катода на

60 мВ в отрицательную сторону повышает скорость восстановления кислорода на изотропном пироуглероде на один порядок. Это обеспечивает большой резерв злектрохимической 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 датчика повышена за счет того, что при длительной выдержке катодами при положительных потенциалах не .проис-" ходит его необратьпчая пассивация °

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

1354094

4 металлов и никеля ниже K=0,0. В начи- нается выделение газообразного водоПараметр

Точность в диапазоне концентрированного кислорода 0—

26 мг/л, Е

+10

Чув с тв ительность (фоновый сигнал),

1,0

0,01

Быстродействие, с

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

Катод вместе с высокой селективностью по отношению к кислороду позволяет реализовать датчики с увеличенным быстродействием. Датчики с быстродействием 4-5 с на 907 от конечного сигнала (при 20 С) работают с неизменными метрологическими параметрами в течение 1,5 года.

Таким образом, в датчике с катодом иэ изотропного пироуглерода благодаря высокому перенапряжению водорода на изотропном пироуглероде можно реализовать рабочие потенциалы ка- тода практически до Е-. 0,25 В, тогда как в случае катодов из драгоценных

Известный Предлагаедатчик - мый датчик рода.

Предлагаемый датчик имеет более высокую точность и чувствительность, так как первоначальная активность катода превьппает 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.

25Формула изобретения

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

З0 электролите, отделенные от анализи. руемой среды селективной газопроницаемой мембраной, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения чувствительности, точности и бы35 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 изотропно40 ro пироуглерода.

1354094

jENx (%)

f10

Составитель М. Вишневский

Редактор И.Горная Техред Л.Сердюкова Корректор О. Кравцова

Заказ 5687/39 Тираж 77б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðoä,óë,Ïðñåêòíaÿ,4