[发明专利]基于铜催化的二氧化碳微传感器及其制备方法

说明书

本发明提出了基于铜催化的二氧化碳微传感器及其制备方法，包括：电极外壳；电极外壳的一端设置有第一透气膜；在电极外壳内部设置有工作电极、参比电极和保护电极，并浸没于电解液中；在极化电压下，参比电极与工作电极、参比电极与保护电极分别形成两个闭环极化电路；三者均指向第一透气膜。本发明的二氧化碳微传感器灵敏度更高，达到了微摩尔每升级别的检出限，传感器探头直径尺寸为微米级，对沉积物或者土壤等样品可无损原位监测，抗干扰能力较强，较低的极化电压避免了析氢、氧化亚氮等干扰信号的发生，能适用于复杂环境。

技术领域

本发明属于环境监测技术领域的电化学微传感器技术，尤其涉及基于铜催化的二氧化碳微传感器及其制备方法。

背景技术

面对全球日益严峻的气候变化问题，其核心问题是保证经济不受明显干扰的情况下，减少二氧化碳温室气体的排放。因此，根据不同监测目标环境，二氧化碳的环境监测的技术手段应具有多样化。

目前，市场上的二氧化碳监测依赖于两种技术手段。一种是利用二氧化碳红外吸收特征谱发展的二氧化碳传感器装置。这类传感器被广泛地应用于工业和农业生产环境中，但由于其进气与检测电子模块集中在一个系统中，其尺寸较大(若干厘米到几十厘米不等)、仍难以被应用于微米或者亚厘米微环境梯度中的二氧化碳浓度检测。第二种传感器是以欧洲Unisense公司发明的基于电化学的二氧化碳传感器。该传感器与本申请结构基本类似，但其缺点是寿命较短(三个月左右)、非选择性催化、较高的极化电压(-720mV)，使传感器对溶剂环境中的氢质子相对敏感、导致析氢信号的干扰。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供基于铜催化的二氧化碳微传感器及其制备方法，针对环境土壤、生物系统中二氧化碳的监测的微传感器技术进行了改进，是属于微型传感器中的新成员。环境中二氧化碳气体经过透气膜扩散进入含盐的保护套中，除去干扰的气体，而后进一步经二层透气膜渗透浸入电解液中的工作电极表面。在极化电压驱动下，气体发生选择性催化还原，工作电极和伪参比电极间产生极化微电流，该微电流信号与被检测的气体浓度呈正比。

为实现上述目的，本发明提供了基于铜催化的二氧化碳微传感器及其制备方法，基于铜催化的二氧化碳微传感器，其特征在于，包括：电极外壳，

所述电极外壳的一端设置有第一透气膜；

在所述电极外壳内部设置有工作电极、参比电极和保护电极；所述工作电极、参比电极和保护电极均位于电极内腔室，并浸没于电解液中；在极化电压下，参比电极与工作电极、参比电极与保护电极分别形成两个闭环极化电路；三者均指向所述第一透气膜；其中，所述工作电极位于所述第一透气膜上方第一预设距离处，用于极化经所述第一透气膜扩散至电极表面的二氧化碳气体；所述保护电极位于所述第一透气膜上方第二预设距离处，用于削减中间反应产物的信号干扰；参比电极位于腔室最上方，以及位于所述工作电极的另一端，用于构成回路。

可选地，所述电极外壳的前端设置有移除氧气干扰物的、内部填充有酸性氯化亚铬溶液的电极保护套；所述电极保护套位于所述第一透气膜的下方，与所述电极外壳上部通过环周胶黏，形成相对封闭的、内部填充除氧溶液的电极结构。

可选地，所述电极保护套的尖端出口处设置有第二透气膜，所述电极保护套中含有酸性氯化亚铬溶液。

可选地，所述电极外壳内部还含有电解液，所述电解液采用单一离子液体，所述电解液用于抑制环境本底中的氢质子。

可选地，所述电极外壳采用拉制的玻璃构成，其中一端为尖端结构，另外一端与导线连接，并通过胶黏，形成内部与外界隔绝、中空能够预先填充电解液的所述电极内腔室；所述电极外壳的尖端直径为微米级别，在所述电极外壳的尖端出口处设置有所述第一透气膜。

可选地，所述工作电极包括：中空玻璃丝，所述中空玻璃丝中插入有包含尖端和尾端的铂丝，所述铂丝的尖端和尾端暴露于所述中空玻璃丝外、与导线相连接，以向外传输电流极化信号。