[发明专利]基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器装置及制备方法

说明书

本发明设计一种基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器装置及制备方法。传感器阴极由催化层、泡沫镍和扩散层组成，阳极由催化层和泡沫镍组成，阴、阳级催化层材料均为泡沫塑料超级纳米碳；以泡沫塑料超级纳米碳为催化剂，采用压片法制作泡沫塑料超级纳米碳‑PTFE阳极和泡沫塑料超级纳米碳‑PDMS空气阴极；本发明构建的泡沫塑料超级纳米碳电极BOD传感器以泡沫塑料超级纳米碳作为电极材料，制备过程简单，不需要贵金属催化剂、质子交换膜、电子介体或者动力装置，运行成本低。相比其他贵金属催化电极，使用质子交换膜或者曝氧装置的燃料电池型BOD传感器测定范围大，更易于大规模开发利用。

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，利用泡沫塑料超级纳米碳为电极催化材料构建燃料电池型传感装置，用于检测水样BOD值。是提出的基于泡沫塑料超级纳米碳电极的单室型BOD传感器装置及制备方法。

背景技术

燃料电池型BOD传感器的基本原理是以阳极催化剂作为敏感元件，当样品中的BOD物质发生降解代谢时，会偶联电池输出电流强弱的变化，在一定条件下传感器输出的电量与BOD的浓度呈线性关系，可用于BOD的在线监测。基于燃料电池型BOD传感器具有实时快速、操作简单等优点，可实现BOD的在线自动检测。

目前国内外主要采用5d 20℃培养法测定水样BOD值，该方法包括水样采集、充氧、培养、测定等步骤，操作复杂，费时费力，不宜现场监测。BOD的其它测定方法还有检压式库仑计法、短时日法、平台值法和瓦勃呼吸法等，这些方法基本上是基于一些经验公式，且操作过程均较为复杂，测定过程不够稳定，没有得到推广。

在燃料电池型BOD传感器中，阳极液为被检测的水样，阳极上的催化剂转化有机物转化为电流，阴极室中加入曝氧缓冲液，溶解氧作为电子受体被还原成水。1977年，Karube等(Li Y R,Chu J,Appl Biochem Biotechnol,1991,28(29):855-863.)首次利用微生物传感器原理成功研制了BOD传感器，该仪器由固定化土壤菌群与氧电极构成,检测时间短(15min内)，但由于微生物酶对固定化微生物膜的破坏,传感器的寿命非常短。在燃料电池型BOD传感器中，BOD的浓度与转移的电荷量和电流相关。电荷量和BOD浓度的关系可以通过催化剂在阳极不断氧化降解底物，衡算电流峰值，计算电流达到最大值整段时间内通过外电路的电量来说明，电流表示阳极上附着的微生物氧化有机质的速率。有一些研究已经证明了，BOD浓度与电流的关系，Chang等人(Chang I S,Jang J K,Gil G C,et al，Biosensors and Bioelectronics,2004,19(6):607-613.)研究了BOD浓度与电流的线性关系，该浓度范围达到100mg/L。国内外已有报道用一个潜水式的燃料电池作为BOD传感器，避免了阳极电解液的泵入，但是需要不断注入空气。但已报道的燃料电池型BOD传感器存在许多问题：(1)装置构建成本高：常规的电极材料使用铂、金等贵金属，或使用制备过程繁琐的纳米材料；使用价格昂贵的质子交换膜作用隔膜；运行中往往需要曝气装置，增加运行成本；(2)BOD浓度线性范围小(3)电极材料催化性能低，有机物分解时间长，影响BOD传感器的响应时间和数值的准确性；

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在问题，构建的泡沫塑料超级纳米碳为电极催化剂的燃料电池型BOD传感器，以制备过程非常简单的泡沫塑料超级纳米碳为电极材料，催化性能高，成本低廉，BOD浓度线性范围大，且性能优于目前已报道的以贵金属Pt为催化剂、含有曝气装置或者使用质子交换膜的燃料电池型传感器，有望推动燃料电池型BOD传感器的实际应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：