专利名称：一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于人体口腔中酒精气体含量测试及一般气体中酒精浓度测试的传感器。
背景技术：
传感器除广泛应用于警察测量驾驶员酒后驾车外，也开始有了一些新的用途。例如汽车自动锁(interlock)，使酒后驾车人员无法启动汽车发动机，从根本上杜绝因酒后驾车而引起的交通事故。传统的燃料电池式酒精传感器的结构如附图所示，上下两片多孔塑料片吸附电解质3，两面镀有贵金属催化剂涂布铂粉形成电极2，密封于PVA塑料盒6中，电极两面通过导线8引出，外接一电阻4。当口腔中含酒精的气体从进气口1进入传感器腔内时。与塑料片上方催化电极接触，使乙醇失去电子，外电路接通后，便形成电流。电流在电阻两端产生输出电压，这样，口腔气体中乙醇含量越高，电极表面生成电子数越多，直接反应在输出电压值上。通过对输出电压的测量，即可精确知道人体血液中的乙醇含量。
该传感器存在以下几个问题a多孔塑料片的孔径多为10-20微米，对水的保持能力有限，随时间的推移，水不断挥发，引起电解质浓度变化，从而影响测量精度；b电极是使用0.5-1.0微米的铂粉制成浆料涂布于塑料片表面或直接在塑料表面通过化学反应析出铂粉而制成的，这样表面电阻较高而会降低传感器的感度；也有用镀金来降低表面电阻的方法，这样一来提高了成本；c用作电极的铂粉没有进行有效的防氧化处理，影响了传感器的使用寿命。
一般来说，减小作为电极氧化反应催化剂铂粉的粒径，增加了粉体的表面积，能有效地提高传感器的感度和缩短感应时间，但与此同时粉体更易被氧化，也就是常说的催化剂的毒化，这样一来反而破坏了传感器的耐久性。目前已商业化的传感器无法解决这一矛盾。
《一种对乙炔、酒精敏感的气敏材料及其制作方法》(专利申请号98125730)，它是以镉、铟、钐的氧化物或盐为原料，制得含离子摩尔比为Cd∶Sm∶In＝1.65-1.5∶0.5-0.4∶2的混合溶液，用碱液共沉淀，洗涤，过滤，烘干，在800℃烧4小时所得的气敏材料，它可做成气敏元件。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能保持电解质状态的稳定，增强电极同电解质的电子交换能力，使用寿命长的一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法。
本发明目的的实现方式为，一种新型燃料电池型酒精传感器，两电极密封于PVA塑料盒6中，电极两面通过导线8引出，外接一电阻4，两电极为上、下两片离子交换膜吸附电解质3，两面镀纳米铂或铂合金催化剂涂布铂粉所形成的电极2。
一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法，其具体步骤如下a、离子交换膜经酸和双氧水冲洗，表面粗化，电子线照射处理，b、将纳米铂或铂合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、将纳米铂或铂合金分散液涂布在离子交换膜表面制备出催化电极，d、电极两面通过导线8引出，并密封于PVA塑料盒6中，外接电阻4。
本传感器能保持电解质状态的稳定，增强电极同电解质的电子交换能力，有高的感度和快的响应时间，使用寿命长。本制备方法科学合理。
附图为气体酒精传感器结构示意中还有PVA塑料盒6的空气进口5，出气口7。
具体实施例方式
参照附图，传感器是上、下两片离子交换膜吸附电解质，两面镀纳米铂或铂合金催化剂涂布铂粉所形成的电极密封于PVA塑料盒中，电极两面通过导线引出，外接一电阻。铂合金为铂与含钯、金、锇、钌、铱的单一和多组分的合金，其中铂含量为50-90％。
下面举出铂合金催化剂的配方(100％)实施例1、铂80 钯20 2、铂80 金20 3、铂87 锇134、铂90 钌10 5、铂83 铱176、铂70 金20 钯10 7、铂72 金20 锇87、铂76 金20 钌4 8、铂78 金20 铱29、铂59 钯21 金10 10、铂69 钯20 锇1111、铂70钯20 钌10 12、铂70 钯20 铱1013、铂77锇13 金10 14、铂67 锇20 钯1315、铂71锇20 钌9 16、铂68 钯20 铱1217、铂65钌25 金10 18、铂61 钌20 钯1919、铂70钌22 锇8 20、铂82 钌11 铱721、铂81铱4 金15 22、铂75 铱10 钯15
23、铂70 铱20 锇10 24、铂90 铱5 钌525、铂60 金20 钯10 锇10 26、铂70 金20 钯5 钌527、铂66 金20 钯10 铱428、铂71 钯5 金20 锇429、铂64 钯10 钌6 锇10 30、铂62 钯9 锇10 铱1931、铂58 金20 钯12 锇10 32、铂60 钌20 钯10 锇1033、铂55 铱15 钯20 锇10 34、铂77 钌10 钯10 锇335、铂78 钌6 钯10 金636、铂75 钌2 金20 锇337、铂54 金20 钯10 锇6钌1038、铂52 金21 钯10 锇7铱1039 铂58 铱20 钯10 锇6钌640 铂50 金20 铱10 锇10 钌1041、铂52 金18 钯12 铱8锇5 钌5制备的具体步骤为，离子交换膜经处理，将纳米铂或铂合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，涂布在离子交换膜表面制备出催化电极，电极两面通过导线引出，并密封于PVA塑料盒中，外接电阻4。
传感器最关键部件是两面涂布有催化电极材料的电极，本发明采用美国Dupont公司生产的离子交换膜，为更好地发挥离子交换膜的特性，对其表面进行了经酸和双氧水冲洗，表面粗化，电子线照射等处理。
本发明采用了化学还原法制备纳米级铂合金粉，致密地附着在离子交换膜表面，从而保证了极低表面电阻的同时，有效的提高了传感器的感度和防氧化性，进而极大的延长了传感器的使用寿命。
本发明的电极材料由化学反应得到，铂或铂的合金纳米粒子由铂或铂的合金盐的水溶液通过还原反应而制得。还原液中的还原剂可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、柠朦酸、柠朦酸钠、水合肼、氨水、硼氢化钠或DMF(N，N-dimethylform amide)。为得到更小粒径的纳米铂以提高传感器感度，可以在反应液中加入与H2PtCl6摩尔比为5-20倍量的PVP(Polyvinylpyrrolidone)作为保护剂。
涂布采用直接浸涂或从水分散液中离心或蒸发分离出的合金纳米粉制成浆料后进行丝网印刷。丝网印刷方式是以PVP为胶粘剂，以水为溶剂，通过三辊研磨机分散成浆料，丝网印刷到离子交换膜表面。还可以使反应液直接在离子交换膜表面发生还原反应而生成纳米薄膜。
将采用美国Dupont公司生产的Nafion117离子交换膜，镀上含20％的钯(Pd)的铂(Pt)合金制成的传感器单体同加拿大ACS公司单体做同样测试，结果见下表 注 感度为无单位相对值，随外接电阻值而变化，直接对应输出电压，同气体中酒精浓度成正比，响应时间(response time)指取样开始到感度达到峰值(peak voltage)时的时间，回归时间(recovery time)指感度从峰值开始到感度为零为止的时间。
本传感器有更高的感度和更快的响应时间。
权利要求
1.一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法，两电极密封于PVA塑料盒(6)中，电极两面通过导线(8)引出，外接一电阻(4)，其特征在于两电极是由上、下两片离子交换膜吸附电解质(3)，两面镀纳米铂或铂合金催化剂涂布铂粉所形成的电极(2)。
2.一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法，其特征在于铂合金为铂与含钯、金、锇、钌、铱的单一和多组分的合金，其中铂含量为50-90％。
3.权利要求1所述的一种新型燃料电池型酒精传感器的制备方法，其特征在于其具体步骤如下a、离子交换膜经酸和双氧水冲洗，表面粗化，电子线照射处理，b、将纳米铂或铂合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，c、将纳米铂或铂合金分散液涂布在离子交换膜表面制备出催化电极，d、电极两面通过导线8引出，并密封于PVA塑料盒6中，外接电阻4。
4.根据权利要求4所述的一种新型燃料电池型酒精传感器的制备方法，其特征在于电极材料由化学反应得到，铂或铂的合金纳米粒子由铂或铂的合金盐的水溶液通过还原反应而制得。还原液中的还原剂可以是甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、柠朦酸、柠朦酸钠、水合肼、氨水、硼氢化钠或DMF(N，N-dimethylform amide)。
5.根据权利要求4所述的一种新型燃料电池型酒精传感器的制备方法，其特征在于纳米铂或铂合金在分散液中通过三辊研磨机(3-rolls miller)分散成浆料。
6.根据权利要求4所述的一种新型燃料电池型酒精传感器的制备方法，其特征在于涂布采用直接浸涂或从水分散液中离心或蒸发分离出的合金纳米粉制成浆料后进行丝网印刷。
全文摘要
一种新型燃料电池型酒精传感器及其制备方法，用于人体口腔中酒精气体含量测试及一般气体中酒精浓度测试的传感器。传感器是上、下两片离子交换膜吸附电解质，两面镀纳米铂或铂合金催化剂涂布铂粉所形成的电极密封于PVA塑料盒中，电极两面通过导线引出，外接一电阻。制备的具体步骤为，离子交换膜经处理，将纳米铂或铂合金分散在含聚乙烯吡咯烷酮的水中，涂布在离子交换膜表面制备出催化电极，电极两面通过导线引出，并密封于PVA塑料盒中，外接电阻。本传感器能保持电解质状态的稳定，增强电极同电解质的电子交换能力，有高的感度和快的响应时间，使用寿命长。本制备方法科学合理。
文档编号G01N27/407GK1609607SQ200410061159
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月22日 优先权日2004年11月22日
发明者贺平, 金航 申请人:贺平, 金航
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