DE102008044239A1 - Electrochemical gas sensor used for detecting or measuring chlorine, fluorine, bromine, oxygen or chlorine dioxide, comprises housing with inlet opening, where housing includes two electrodes connected by conductive electrolyte system - Google Patents
Electrochemical gas sensor used for detecting or measuring chlorine, fluorine, bromine, oxygen or chlorine dioxide, comprises housing with inlet opening, where housing includes two electrodes connected by conductive electrolyte system Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einer Eintrittsöffnung, wobei sich in dem Gehäuse mindestens zwei Elektroden befinden, die miteinander über ein Elektrolytsystem leitend verbunden sind, welches eine leitende Flüssigkeit umfasst, die im Wesentlichen in einem pulverförmigen und/oder faserförmigen unverwobenen und auf SiO2 basierenden Feststoff absorbiert ist.The invention relates to an electrochemical gas sensor, comprising a housing having at least one inlet opening, wherein in the housing at least two electrodes are connected, which are conductively connected to each other via an electrolyte system comprising a conductive liquid, which is substantially in a powdery and / or fibrous intumescent and SiO 2 based solid is absorbed.
Im Falle eines typischen elektrochemischen Gassensors diffundiert das zu bestimmende Gas (der Analyt) aus der Umgebung in den Sensor. Sofern der Sensor ein Gehäuse aufweist, kann dies beispielsweise durch eine Öffnung beziehungsweise per Diffusion durch eine für den Analyten durchlässige Membran geschehen. Üblicherweise umfasst der Sensor eine Mess- und eine Gegenelektrode, wobei der Analyt eine chemische Reaktion an der Messelektrode eingeht. Entsprechend findet an der Gegenelektrode eine komplementäre Reaktion statt. Die elektrochemische Redoxreaktion verursacht einen Stromfluss zwischen den Elektroden, der gemessen werden kann. Neben Mess- und Gegenelektrode können noch weitere Elektroden, beispielsweise eine Referenzelektrode oder eine zweite Messelektrode im Sensor enthalten sein.in the The case of a typical electrochemical gas sensor diffuses the to be determined gas (the analyte) from the environment into the sensor. If the sensor has a housing, this can for example through an opening or by diffusion done for the analyte permeable membrane. Usually the sensor comprises a measuring and a counter electrode, wherein the Analyte undergoes a chemical reaction at the measuring electrode. Corresponding finds a complementary reaction at the counter electrode instead of. The electrochemical redox reaction causes a flow of current between the electrodes that can be measured. In addition to measuring and counter electrode can still other electrodes, such as a reference electrode or a second measuring electrode may be included in the sensor.
Die elektrochemische Redoxreaktion muss dabei ein elektrisches Signal ergeben, welches in einem direkten Verhältnis zur Konzentration des Analyten steht.The Electrochemical redox reaction must be an electrical signal which result in direct proportion to the concentration of the analyte.
Elektrolyte, welche in elektrochemischen Gassensoren eingesetzt werden sollen, müssen verschiedenen Anforderungen genügen. Dies beinhaltet, dass sie elektrochemisch und chemisch innert sein und ionisch leitend sein sollten.electrolytes which are to be used in electrochemical gas sensors, have to meet different requirements. This implies that they are electrochemically and chemically inert and should be ionically conductive.
Herkömmliche
Elektrolyte sind beispielsweise anorganische Säuren wie
Schwefel- oder Phosphorsäure, welche als flüssige
Elektrolyte vorliegen. Als Ionenleiter werden in der Patentliteratur
unterschiedlichste Systeme beschrieben. Am gebräuchlichsten
ist sicherlich die Schwefelsäure, die in Sensoren für
gängige Gase, wie zum Beispiel CO, H2S oder
O2, Verwendung findet und bereits seit den
60er Jahren des letzten Jahrhunderts beschrieben wird (vgl. Honeywell,
1967:
Eine Eigenschaft von gängigen Elektrolyten ist, dass sie hygroskopisch sind. Bei hohen Feuchten kann der Elektrolyt soviel Wasser aufnehmen, dass die Sensorzelle gegebenenfalls platzt und Elektrolyt austritt. Um diese Leckage von Elektrolyten zu verhindern, müssen die Sensorzellen etwa das 5- bis 7-fache ihres Elektrolytfüllvolumens als Platzreserve im Sensor vorhalten. Das wiederum steht dem generellen Bestreben nach Miniaturisierung der Zellen entgegen.A Property of common electrolytes is that they are hygroscopic are. At high humidity, the electrolyte can absorb so much water, If necessary, the sensor cell bursts and electrolyte escapes. To prevent this leakage of electrolytes must the sensor cells about 5 to 7 times their Elektrolytfüllvolumens reserve space in the sensor. That, in turn, is the general one Endeavor to miniaturize the cells.
Weiterhin
entscheidend für einen elektrochemischen Gassensor ist
die Lageunabhängigkeit des Sensors. Um die Lageunabhängigkeit
zu verbessern wurden Ansätze entwickelt, flüssige
Elektrolyten mit Hilfe von Glasfasern beziehungsweise Silikatstrukturen
zu immobilisieren, wobei ein quasi- Festkörperelektrolyt
erzielt wird. Bei einem quasi-Festkörperelektrolyten werden
Reaktionsprodukte und Elektrolyte an der Migration durch den Sensor
gehindert und können sich nicht an sensiblen Stellen (z.
B. Mess- oder Referenzelektrode) ablagern. Weiterhin gibt es keine
Verarmung durch Auslaugungsprozesse zwischen den Elektroden. Dies
ermöglicht eine weitere Miniaturisierung der Sensorzellen.
Beispiele hierfür finden sich in den Patenten der Firma
MSA
Ein
Ansatz, den Wasseraufnahmeeffekt bei herkömmlichen Elektrolyten
zu umgehen, basiert auf der Verwendung von organischen Flüssigkeiten,
denen Leitsalze beigemischt werden müssen, um eine ionische
Leitfähigkeit zu gewährleisten (z. B. Catalyst Research
Corp., 1978:
Eine Lösung für dieses Problem bietet sich in der Verwendung von ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyte an. Ionische Flüssigkeiten sind definiert als flüssige Salze mit einem Schmelzpunkt unter 100°C. Die salzartige Struktur bringt es mit sich, dass ionische Flüssigkeiten keinen messbaren Dampfdruck besitzen. Die Variationsmöglichkeit dieser Substanzen ist groß. Die Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten hängen entschieden von der Art und der Anzahl organischer Seitenketten und An- bzw. Kationen ab. So gibt es Vertreter, die einen Schmelzpunkt unter –40°C aufweisen. Viele ionische Flüssigkeiten sind chemisch wie elektrochemisch sehr stabil und haben eine hohe Ionenleitfähigkeit. Die Wasseraufnahmefähigkeit einzelner Vertreter liegt bei Null. Die oben beschriebenen Eigenschaften machen ionische Flüssigkeiten zu guten Elektrolyten in elektrochemischen Gassensoren.A Solution to this problem is in the use of ionic liquids (IL) as electrolytes. Ionian Liquids are defined as liquid salts with a melting point below 100 ° C. The salt-like structure brings with it that ionic liquids no have measurable vapor pressure. The possibility of variation these substances are great. The properties of ionic liquids depend decidedly on the type and number of organic Side chains and cations. So there are representatives who have a melting point below -40 ° C. Lots Ionic liquids are chemical as well as electrochemical very stable and have a high ionic conductivity. The Water absorption capacity of individual representatives is zero. The Properties described above make ionic liquids to good electrolytes in electrochemical gas sensors.
Die
Vorteile der Verwendung eines quasi-Festkörperelektrolyten
mit IL's als Elektrolyten werden in der internationalen Patentanmeldung
der Firma Anaxys Technology Ltd.
In
der Schrift
Nachteilig beziehungsweise verbesserungswürdig bei den oben beschriebenen Ansätzen, die als Elektrolyte reine ionische Flüssigkeiten bzw. Mischungen aus diesen, aber auch quasi-Festkörperelektrolyte verwenden, ist die Performance der Gassensoren und zwar sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit, als auch der Ansprechzeit, Selektivität und der Robustheit der Sensoren.adversely or in need of improvement in the case described above Approaches that use as electrolytes pure ionic liquids or mixtures of these, but also quasi-solid electrolytes is the performance of the gas sensors, both in terms of sensitivity, as well as the response time, selectivity and the robustness of the sensors.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrochemischen Gassensor bereit zu stellen, welcher eine verbesserte Performance aufweist, d. h. eine höhere Selektivität, höhere Empfindlichkeit sowie höhere Robustheit bietet.task The present invention is an electrochemical gas sensor to provide, which has an improved performance, d. H. a higher selectivity, higher sensitivity as well offers greater robustness.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrochemischen Gassensor gemäß Anspruch 1. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Task is solved by an electrochemical gas sensor according to claim 1. Further preferred embodiments emerge from the dependent claims.
In anderen Worten wird die Aufgabe durch einen elektrochemischen Gassensor gelöst, welcher ein Gehäuse mit mindestens einer Eintrittsöffnung umfasst, wobei sich in dem Gehäuse mindestens zwei Elektroden befinden, welche miteinander über ein Elektrolytsystem leitend verbunden sind, welches eine leitende Flüssigkeit umfasst, die im Wesentlichen in einem pulverförmigen und/oder faserförmigen unverwobenen auf SiO2 basierenden Feststoff absorbiert ist. Erfindungsgemäß ist der Gassensor dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Flüssigkeit eine ionische Flüssigkeit ist, die organische und/oder metallorganische und/oder anorganische Zusätze aufweist. „Im Wesentlichen” bedeutet hierbei, dass die ionische Flüssigkeit zu mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, höchst bevorzug 99% absorbiert vorliegt.In other words, the object is achieved by an electrochemical gas sensor, which comprises a housing with at least one inlet opening, wherein in the housing at least two electrodes are connected, which are conductively connected to each other via an electrolyte system comprising a conductive liquid, which is substantially in a powdery and / or fibrous, unwound SiO 2 based solid is absorbed. According to the gas sensor is characterized in that the conductive liquid is an ionic liquid having organic and / or organometallic and / or inorganic additives. "Substantially" here means that the ionic liquid is present at least 90%, preferably at least 95%, most preferably 99% absorbed.
Es fand bisher in Schriften über ionische Flüssigkeiten keine Beachtung, dass die klassischen (wässrigen) Sensorsysteme zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit oder Selektivität häufig über Sekundärreaktionen laufen.It found so far in writings about ionic liquids no notice that the classical (aqueous) sensor systems to increase their sensitivity or selectivity often run over secondary reactions.
Ein
Grund dafür mag sein, dass die chemischen Abläufe
in ionischen Flüssigkeiten sich fundamental von denen in
wässrigen bzw. organischen Systemen unterscheiden. Vorreiter
dieser neuen Chemie, wie die Professoren
Der Einsatz ist im 2-, 3- und Mehrelektrodenmodus erprobt. 2 oder 3 Elektrodensysteme sind bevorzugt, d. h. in dem Gehäuse befinden sich vorzugsweise eine Mess- und eine Gegenelektrode (ME, GE) sowie im Falle eines 3-Elektrodensystems zusätzlich eine Referenzelektrode (RE). Wenn man den Sensor mit einer Schutzelektrode oder weiteren Messelektroden ausstattet, werden Mehrelektrodensysteme generiert. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem Metall aus der Gruppe von Cu, Ni, Ti, Pt, Ir, Au, Pd, Ag, Ru und Rh oder Mischungen oder Oxide dieser Metalle oder Kohlenstoff, wobei die Materialien der einzelnen Elektroden gleich oder verschieden sind. Sie können jede geeignete Form haben. Vorzugsweise sind die Elektroden auf einer gasdurchlässigen Membran aufgebracht oder in Pulverform direkt mit dem Elektrolyten, d. h. mit dem pulverförmige auf SiO2 basierende Feststoff, welcher absorbiert die ionische Flüssigkeit mit Zusatz/Zusätzen enthält, vermischt. Im zweiten Fall ist darauf zu achten, dass zwischen den Elektrodenpulvern immer Brücken aus reinem Elektrolytpulvern sind, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern.The insert is tested in 2, 3 and multi-electrode mode. 2 or 3 electrode systems are preferred, ie in the housing are preferably a measuring and a counter electrode (ME, GE) and in the case of a 3-electrode system additionally a reference electrode (RE). By equipping the sensor with a protective electrode or other measuring electrodes, multi-electrode systems are generated. The electrodes are preferably made of a metal from the group consisting of Cu, Ni, Ti, Pt, Ir, Au, Pd, Ag, Ru and Rh or mixtures or oxides of these metals or carbon, the materials of the individual electrodes being the same or different. They can have any suitable shape. The electrodes are preferably applied to a gas-permeable membrane or mixed in powder form directly with the electrolyte, ie with the powdery SiO 2 -based solid which absorbs the ionic liquid with additives. In the second case, care must be taken that bridges of pure electrolyte powders are always between the electrode powders in order to prevent an electrical short circuit between the electrodes.
Das Gehäuse kann aus Metall, aber auch aus jedem anderen geeigneten Material bestehen. Da ionische Flüssigkeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolyten wie Schwefelsäure keine stark korrodierende Wirkung haben, bestehen auch wenig bis gar keine Probleme hinsichtlich einer möglichen Korrosion metallischer Gehäuse. Weiterhin geeignet sind Kunststoffe als Material für das Gehäuse.The Housing can be made of metal, but also from any other suitable Material exist. As opposed to ionic liquids to conventional electrolytes such as sulfuric acid have no strong corrosive effect, there is also little to no problems with regard to possible corrosion metallic housing. Also suitable are plastics as material for the housing.
Der pulverförmige auf SiO2 basierende Feststoff ist vorzugsweise ein Silikat, welches eine mittlere Teilchengröße von mindestens 5 μm, vorzugsweise mindestens 50 μm, höchst bevorzugt mindestens 75 μm; eine spezifische Oberfläche von mindestens 50 m2/g, vorzugsweise mindestens 100 m2/g, höchst bevorzugt mindestens 150 m2/g und einen SiO2-Gehalt von mindestens 95 Gew.-% aufweist. Die Bezeichnung „Silikat” beinhaltet SiO2-Varianten wie Kieselgele und Silikate, beispielsweise „Sipernate” und „Sidente”. Es handelt sich vorzugsweise um reines SiO2 sowie Alumo- und Calciumsilikate, wobei eine breite Varianz hinsichtlich der spezifischen Oberfläche möglich ist, d. h. es funktionieren 50 m2/g aber auch 500 m2/g. Besonders bevorzugt ist ein Silikat, welches eine mittlere Teilchengröße von 100 μm, eine spezifische Oberfläche von 190 m2/g und einen SiO2-Gehalt von mindestens 98 Gew.-% aufweist.The powdery SiO 2 -based solid is preferably a silicate having an average particle size of at least 5 μm, preferably at least 50 μm, most preferably at least 75 μm; a specific surface area of at least 50 m 2 / g, preferably at least 100 m 2 / g, most preferably at least 150 m 2 / g and an SiO 2 content of at least 95% by weight. The term "silicate" includes SiO 2 variants such as silica gels and silicates, for example "Sipernate" and "Sidente". It is preferably pure SiO 2 and alumino and calcium silicates, with a wide variance in the specific surface area is possible, ie it work 50 m 2 / g but also 500 m 2 / g. Particularly preferred is a silicate which has an average particle size of 100 microns, a specific surface area of 190 m 2 / g and an SiO 2 content of at least 98 wt .-%.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der faserförmige unverwobene auf SiO2 basierende Feststoff Glasfaser.In another preferred embodiment, the fibrous solid SiO 2 -based solid is glass fiber.
Der pulverförmige und/oder faserförmige unverwobene auf SiO2 basierende Feststoff, in welchem die ionische Flüssigkeit im Wesentlichen absorbiert ist, liegt im Sensor als Schüttung oder Schichtung oder in gepresster Form vor. Die Schüttung oder Schichtung ermöglicht eine sehr flexible Formgestaltung der Sensoren. Das Verpressen kann in mehreren Schritten erfolgen. Die gepresste Form als Pellet ist besonders bevorzugt, da sich hierbei auch erhebliche Vorteile bei der Herstellung ergeben. Der Zusammenbau erfolgt dann derart, dass das Pellet vorzugsweise zwischen zwei Elektroden positioniert wird und das Ganze durch das Sensorgehäuse abschließend zusammengepresst wird.The powdery and / or fibrous unwound SiO 2 based solid in which the ionic liquid is substantially absorbed is present in the sensor as a bedding or lamination or in a compressed form. The bedding or stratification allows a very flexible design of the sensors. The pressing can be done in several steps. The pressed form as a pellet is particularly preferred since this also results in considerable advantages in the production. The assembly then takes place such that the pellet is preferably positioned between two electrodes and the whole is finally compressed by the sensor housing.
Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn der pulverförmige und/oder faserförmige unverwobene auf SiO2 basierende Feststoff, in welchem die ionische Flüssigkeit im Wesentlichen absorbiert ist, im Sensor in gepresster Form mit bereits vorab darin verpressten Elektroden vorliegt. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, da zum einen ein weiterer Produktionsschritt vereinfacht wird, zum anderen der Kontakt zwischen Elektroden und Elektrolyten verbessert wird, was einen positiven Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit und -Ansprechzeit hat.It is also preferred if the powdery and / or fibrous, SiO 2 -based solid, in which the ionic liquid is substantially absorbed, is present in the sensor in pressed form with electrodes already pre-compressed therein. This has proved to be advantageous, since on the one hand a further production step is simplified, on the other hand the contact between electrodes and electrolytes is improved, which has a positive influence on the sensor sensitivity and response time.
Das Verhältnis Elektrolyt zu SiO2 basiertem Feststoff kann in weiten Grenzen variiert werden. Ein Verhältnis Elektrolyt zu auf SiO2 basierendem Feststoff von einem Gewichtsteil zu einem Gewichtsteil bis zu zwei Gewichtsteilen zu einem Gewichtsteil ist besonders bevorzugt. Trotz des Überschusses an Elektrolyt wird immer noch ein nahezu trockenes Pulver erhalten, d. h. der Elektrolyt liegt im Wesentlichen absorbiert vor (vorzugsweise zu mindestens 90%, mehr bevorzugt zu mindestens 95%, höchst bevorzugt zu mindestens 99%). Das erhaltene Pellet hat vorzugsweise ein Gewicht von ca. 200 mg, wovon 1/2 bis 2/3 auf den Elektrolyten und 1/2 bis 1/3 auf den Feststoff entfallen.The ratio of electrolyte to SiO 2 based solid can be varied within wide limits. A ratio of electrolyte to SiO 2 based solid of one part by weight to one part by weight to two parts by weight to one part by weight is particularly preferable. Despite the excess of electrolyte, an almost dry powder is still obtained, ie, the electrolyte is substantially absorbed (preferably at least 90%, more preferably at least 95%, most preferably at least 99%). The pellet obtained preferably has a weight of about 200 mg, of which 1/2 to 2/3 account for the electrolyte and 1/2 to 1/3 on the solid.
Für
den Aufbau des Sensors sind prinzipiell alle Aufbauten denkbar,
die auch schon in den Schriften
Die ionische Flüssigkeit enthält mindestens ein Kation, welches ausgewählt ist aus der Gruppe von Imidazolium, Pyridinium, Guanodinium und Tetraalkylamoniumsalzen, unsubstituiert oder mit mindestens einer Aryl- und/oder C1 bis C4-Alkyl-Gruppe substituiert, welche selbst unsubstituiert oder substituiert ist mit Halogenen, C1- bis C4-Alkyl-Gruppen, Hydroxyl- oder Amino-Gruppen. Vorzugsweise enthält die ionische Flüssigkeit mindestens Imidazolium- oder Pyridinium-Kationen, unsubstituiert oder mit mindestens einer C1- bis C4-Alkyl-Gruppe substituiert.The ionic liquid contains at least one cation, which is selected from the group of imidazolium, Pyridinium, guanodinium and tetraalkylammonium salts, unsubstituted or substituted with at least one aryl and / or C1 to C4 alkyl group, which itself is unsubstituted or substituted with halogens, C1 to C4 alkyl groups, hydroxyl or amino groups. Preferably contains the ionic liquid at least imidazolium or Pyridinium cations, unsubstituted or with at least one C1- substituted to C4-alkyl group.
Hinsichtlich der Anionen ist es bevorzugt, dass die ionische Flüssigkeit mindestens ein Anion aus der Gruppe der Halogenide, Nitrate, Nitrite, Tetrafluorborate, Hexafluorphosphate, Polyfluoralkansulfonate, Bis(trifluormethyl sulfonyl)imide, Alkylsulfate, Alkansulfonate, Acetate und der Anionen von Fluoralkansäuren enthält. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Anion aus der Gruppe der C1-C6-Alkylsulfate und C1-C6-Alkansulfonate ausgewählt, wobei ein Anion aus der Gruppe von Methyl-, Ethyl-, Butylsulfat und Methan-, Ethan-, Butansulfonat stark bevorzugt ist.Regarding Of the anions it is preferred that the ionic liquid at least one anion from the group of halides, nitrates, nitrites, Tetrafluoroborates, hexafluorophosphates, polyfluoroalkanesulfonates, bis (trifluoromethylsulfonyl) imides, Alkyl sulfates, alkanesulfonates, acetates and the anions of fluoroalkanoic acids contains. Particularly preferred is the at least one anion selected from the group of C1-C6-alkyl sulfates and C1-C6-alkanesulfonates, wherein an anion from the group of methyl, ethyl, butyl sulfate and methane, ethane, butanesulfonate is highly preferred.
In einer höchst bevorzugten Ausführungsform ist die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-methansulfonat.In a most preferred embodiment is the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Mischungen verschiedener ionischer Flüssigkeiten. Eine Mischung verschiedener ionischer Flüssigkeiten kann verwendet werden, um unterschiedliche Polaritäten im Elektrolyten einzustellen. Das kann helfen bestimmte Additive zu lösen, aber auch hilfreich sein, um die Wasseraufnahme des Elektrolyten zu steuern.The The present invention also includes mixtures of various ionic Liquids. A mixture of different ionic liquids can used to different polarities in the electrolyte adjust. This can help solve certain additives, but also be helpful to the water absorption of the electrolyte to control.
Die ionische Flüssigkeit weist organische und/oder metallorganische und/oder anorganische Zusätze auf. Diese tragen überraschenderweise entscheidend dazu bei, die Performance der Gassensoren zu verbessern, und zwar sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit, als auch der Ansprechzeit, Selektivität und der Robustheit der Sensoren. Dabei ergeben bereits relativ niedrige prozentuale Anteile entscheidende Verbesserungen.The ionic liquid has organic and / or organometallic and / or inorganic additives. Surprisingly, these contribute significantly to the performance of the gas senso Both in terms of sensitivity, as well as the response time, selectivity and the robustness of the sensors. Even relatively low percentages result in decisive improvements.
Mischungen verschiedener Zusätze sind ebenfalls umfasst. Dies betrifft Mischungen verschiedener Zusätze der gleichen Gruppe, z. B. Mischungen verschiedener organischer Zusätze. Umfasst sind aber auch Mischungen unterschiedlicher Zusätze, d. h. Mischungen aus beispielsweise organischen und an organischen Zusätzen. Über Mischungen verschiedener Zusätze könnten Querempfindlichkeitsmuster der Sensoren spezifischen Bedürfnissen angepasst werden.mixtures Various additives are also included. this concerns Mixtures of different additives of the same group, eg. B. mixtures of various organic additives. Includes but also mixtures of different additives, d. H. mixtures from, for example, organic and organic additives. about Mixtures of various additives could cause cross-sensitivity patterns the sensors are adapted to specific needs.
Vorzugsweise sind die organischen und/oder metallorganischen und/oder anorganischen Zusätze in 0,05 bis 15 Gewichts-% in der ionischen Flüssigkeit enthalten. Für die organischen Zusätze hat es sich als besonders geeignet erwiesen, dass diese in 0,05 bis 1,5 Gewichts-% enthalten sind. Hinsichtlich der anorganischen Zusätze ist es bevorzugt, dass diese in 1 bis 12 Gewichts-% enthalten sind. In Bezug auf die metallorganischen Zusätze hat sich ein Gehalt von 0,05 bis 1 Gewichts-% als besonders geeignet erwiesen.Preferably are the organic and / or organometallic and / or inorganic Additions in 0.05 to 15% by weight in the ionic liquid contain. For the organic additives it has proved to be particularly suitable that these in 0.05 to 1.5% by weight are included. With regard to inorganic additives it is preferred that these are contained in 1 to 12% by weight. With respect to the organometallic additives has a Content of 0.05 to 1% by weight proved to be particularly suitable.
Die organischen Zusätze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe von Imidazol, Pyridin, Pyrrol, Pyrazol, Pyrimidin, Guanin, unsubstituiert oder substituiert mit mindestens einer C1- bis C4-Alkyl-Gruppe; Harnsäure, Benzoesäure und Porphyrinen sowie deren Derivaten. Besonders bevorzugt ist die Auswahl von organischen Zusätzen aus der Gruppe von Imidazol oder Pyrimidin, unsubstituiert oder substituiert mit mindestens einer C1- bis C4-Alkyl-Gruppe.The Organic additives are preferably selected from the group of imidazole, pyridine, pyrrole, pyrazole, pyrimidine, Guanine, unsubstituted or substituted with at least one C1- to C4 alkyl group; Uric acid, benzoic acid and Porphyrins and their derivatives. Particularly preferred is the selection of organic additives from the group of imidazole or Pyrimidine, unsubstituted or substituted with at least one C1 to C4 alkyl group.
Im Hinblick auf die organischen Additive ist zu vermuten, dass deren Wirkung auf einer Stabilisierung des Referenzpotentials, sowie des pH-Wertes beruht. Dies zeigt vor allem bei sauren Gasen Vorteile.in the With regard to the organic additives one can assume that their Effect on a stabilization of the reference potential, as well as the pH value is based. This shows advantages, especially with acidic gases.
Die metallorganischen Zusätze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der metallorganischen Porphyrine und deren Derivaten, wobei die metallorganischen Porphyrine besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe der Porphyrine mit mindestens einem meso- oder β-Alkyl- oder Arylsubstituenten und deren Derivaten. Hinsichtlich der metallorganischen Porphyrinderivate ist es bevorzugt, diese aus der Gruppe der Phthalocyanine mit Mn2+, Cu2+, Fe2+/3+ oder 2b2+ als Metallkation auszuwählen.The organometallic additives are preferably selected from the group of the organometallic porphyrins and their derivatives, the organometallic porphyrins being particularly preferably selected from the group of porphyrins having at least one meso or β-alkyl or aryl substituent and derivatives thereof. With respect to the organometallic porphyrin derivatives, it is preferable to select them from the group of phthalocyanines having Mn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ / 3+ or 2b 2+ as the metal cation.
Die anorganischen Zusätze sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Alkalihalogenide und Ammoniumhalogenide, welche unsubstituiert oder mit C1- bis C4-Alkyl-Gruppen substituiert sind und der Übergangsmetallsalze und Bleisalze, wobei die Übergangsmetallsalze beziehungsweise Bleisalze besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe der Salze von Mn2+, Mn3+, Ag+, Cr3+, Cr6+, Fe2+, Fe3+ und Pb2+. Besonders bevorzugt als anorganische Zusätze sind Substanzen aus der Gruppe von Lithiumbromid, Lithiumiodid, Ammoniumiodid, Tetramethylammoniumiodid, Tetraethylammoniumiodid, Tetrapropylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumbromid, Mangan(II)chlorid, Mangan(II)sulfat, Mangan(II)nitrat, Chrom(III)chlorid, Alkalichromaten, Eisen(II)chlorid, Eisen(III)chlorid und Blei(II)nitrat.The inorganic additives are in particular selected from the group of alkali metal halides and ammonium halides, which are unsubstituted or substituted by C1 to C4 alkyl groups and the transition metal salts and lead salts, wherein the transition metal salts or lead salts are particularly preferably selected from the group of salts of Mn 2+ , Mn 3+ , Ag + , Cr 3+ , Cr 6+ , Fe 2+ , Fe 3+ and Pb 2+ . Particularly preferred inorganic additives are substances from the group of lithium bromide, lithium iodide, ammonium iodide, tetramethylammonium iodide, tetraethylammonium iodide, tetrapropylammonium iodide, tetrabutylammonium iodide, tetrabutylammonium bromide, manganese (II) chloride, manganese (II) sulfate, manganese (II) nitrate, chromium (III) chloride , Alkali chromates, iron (II) chloride, iron (III) chloride and lead (II) nitrate.
Die Zugabe von Alkali- und Ammoniumhalogeniden, wie z. B. LiI bzw. NaBr, NR4I (R = H, Methyl-, Ethyl-, Butyl- oder Mischungen daraus) in niedrigen prozentualen Anteilen (0,05 bis 15%) führt zu einer deutlichen Steigerung der Empfindlichkeit der Sensoren auf Halogen-Gase und Dämpfe. Ähnliches lässt sich bei der Zugabe von Mangan- und Kupfersalzen auf die Empfindlichkeit von Ammoniaksensoren beobachten.The addition of alkali and ammonium halides, such as. B. LiI or NaBr, NR 4 I (R = H, methyl, ethyl, butyl or mixtures thereof) in low percentages (0.05 to 15%) leads to a significant increase in the sensitivity of the sensors to halogen Gases and vapors. The same can be observed when adding manganese and copper salts to the sensitivity of ammonia sensors.
Ein großer Vorteil beim Einsatz von anorganischen Additiven ist die Selektivität des Sensors, da es die Möglichkeit bietet für das Zielgas eine spezifische Nachweisreaktion zu generieren. So lassen sich durch die Kombination verschiedenen Additive auch Querempfindlichkeitsmuster generieren, die in klassischen Sensorsystemen wie auch beim Einsatz reiner ionischer Flüssigkeiten nicht denkbar wären.One great advantage when using inorganic additives is the selectivity of the sensor, as it is the possibility provides a specific detection reaction for the target gas to generate. So can be different by the combination Additives also generate cross-sensitivity patterns that are classic Sensor systems as well as the use of pure ionic liquids would not be conceivable.
Die Wirkung der Zuschläge scheint auf zwei Prinzipien zu ruhen. Zum einen kann man eine deutliche Verschiebung des Referenzpotentials gegenüber den Elektrolyten ohne Zuschläge beobachten, was vermutlich zu der Stabilisierung des Signals führt. Andererseits scheint das basische System als Puffer zu wirken und zu verhindern, dass sich die sauren Gase im Elektrolyten lösen und somit, über eine Änderung des pH-Wertes, ihrerseits eine Verschiebung des Referenzpotentials generieren.The Effect of supplements seems to rest on two principles. On the one hand, you can see a clear shift in the reference potential watch what the electrolytes without supplements probably leads to the stabilization of the signal. on the other hand the basic system seems to act as a buffer and prevent that the acid gases dissolve in the electrolyte and thus, via a change the pH, in turn, a shift of the reference potential to generate.
Der elektrochemische Gassensor kann für verschiedene Meßmethoden eingesetzt werden, wobei die amperometrische Messung bevorzugt ist. Erfindungsgemäß wird der elektrochemische Gassensors daher zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe der sauren, basischen, neutralen, oxidierenden oder reduzierenden Gase und der Halogengase und -dämpfe sowie der hydriden Gase. Detektion/Messung umfasst dabei sowohl die qualitative Erfassung, dass ein entsprechendes Gas vorliegt, als auch die quantitative Bestimmung.Of the Electrochemical gas sensor can be used for various measuring methods can be used, wherein the amperometric measurement is preferred. According to the invention, the electrochemical gas sensor therefore for the amperometric detection / measurement of gases from the group acid, basic, neutral, oxidizing or reducing gases and the halogen gases and vapors as well as the hydride gases. Detection / measurement includes both the qualitative detection, that a corresponding gas is present, as well as the quantitative Determination.
Vorzugsweise findet der elektrochemische Gassensor Verwendung zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von F2, Cl2, Br2, I2, O2, O3, ClO2, NH3, SO2, H2S, CO, CO2, NO, NO2, H2, HCl, HBr, HF, HCN, PH3, AsH3, B2H6, GeH4 und SiH4.Preferably, the electrochemical Gas sensor Use for the amperometric detection / measurement of gases from the group of F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , O 2 , O 3 , ClO 2 , NH 3 , SO 2 , H 2 S, CO, CO 2 , NO , NO 2 , H 2 , HCl, HBr, HF, HCN, PH 3 , AsH 3 , B 2 H 6 , GeH 4 and SiH 4 .
In einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher die ionische Flüssigkeit organische Zusätze enthält, ist die Verwendung zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S, H2, HCl, HCN und der hydriden Gase bevorzugt.In a preferred embodiment, in which the ionic liquid contains organic additives, the use for amperometric detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S, H 2 , HCl, HCN and the hydride gases is preferred.
In einer anderen Ausführungsform, bei der die ionische Flüssigkeit organische Zusätze aus der Gruppe von Imidazol, Pyridin, Pyrrol, Pyrazol, Pyrimidin, Guanin, unsubstituiert oder substituiert mit mindestens einer C1- bis C4- Alkyl-Gruppe; Harnsäure, Benzoesäure und Porphyrinen sowie deren Derivaten, enthält, ist die Verwendung zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S bevorzugt. Bei der amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S ist es bevorzugt, dass die ionische Flüssigkeit organischen Zusätze ausgewählt aus der Gruppe von Imidazol oder Pyrimidin, unsubstituiert oder substituiert mit mindestens einer C1- bis C4-Alkyl-Gruppe, enthält.In another embodiment, wherein the ionic liquid unsubstituted organic substituents selected from the group consisting of imidazole, pyridine, pyrrole, pyrazole, pyrimidine, guanine or substituted with at least one C1 to C4 alkyl group; Uric acid, benzoic acid and porphyrins and their derivatives, the use for the amperometric detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S is preferred. In the amperometric detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S, it is preferred that the ionic liquid organic additives selected from the group of imidazole or pyrimidine, unsubstituted or substituted with at least one C 1 to C 4 -Alkyl group.
Zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von F2, Cl2, Br2, I2, O3, ClO2, NH3, H2, HCl, HCN und der hydriden Gase ist es bevorzugt, dass die ionische Flüssigkeit anorganische Zusätze enthält. Bei der amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von Cl2, Br2, O3, ClO2 und NH3 ist es dann besonders bevorzugt, dass die ionische Flüssigkeit anorganische Zusätze aus der Gruppe der Alkalihalogenide und Ammoniumhalogenide, welche unsubstituiert oder mit C1- bis C4-Alkyl-Gruppen substituiert sind und der Übergangsmetallsalze und Bleisalze, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Salze von Mn2+, Mn3+, Ag+, Cr3+, Cr6+, Fe2+, Fe3+ und Pb2+, enthält. Bei diesen Gasen (Cl2, Br2, O3, ClO2 und NH3) ist es höchst bevorzugt, wenn die ionische Flüssigkeit anorganische Zusätze aus der Gruppe von Lithiumbromid, Lithiumiodid, Tetrabutylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumbromid, Mangan(II)chlorid, Mangan(II)sulfat, Mangan(II)nitrat, Chrom(III)chlorid, Alkalichromaten, Eisen(II)chlorid, Eisen(III)chlorid und Blei(II)nitrat enthält.For the amperometric detection / measurement of gases from the group of F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , O 3 , ClO 2 , NH 3 , H 2 , HCl, HCN and the hydride gases, it is preferred that the ionic liquid contains inorganic additives. In the amperometric detection / measurement of gases from the group of Cl 2 , Br 2 , O 3 , ClO 2 and NH 3 , it is then particularly preferred that the ionic liquid inorganic additives from the group of alkali halides and ammonium halides, which are unsubstituted or with C1 to C4 alkyl groups are substituted and the transition metal salts and lead salts, preferably selected from the group of salts of Mn 2+ , Mn 3+ , Ag + , Cr 3+ , Cr 6+ , Fe 2+ , Fe 3+ and Pb 2+ . With these gases (Cl 2 , Br 2 , O 3 , ClO 2 and NH 3 ), it is most preferred if the ionic liquid contains inorganic additives from the group of lithium bromide, lithium iodide, tetrabutylammonium iodide, tetrabutylammonium bromide, manganese (II) chloride, manganese ( II) sulfate, manganese (II) nitrate, chromium (III) chloride, alkali chromates, iron (II) chloride, iron (III) chloride and lead (II) nitrate.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft die Verwendung des elektrochemischen Gassensors zur amperometrischen Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von CO, O2, NO, NO2 und H2, wobei die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze enthält. Bei diesen Gasen (CO, O2, NO, NO2 und H2) ist es besonders bevorzugt, wenn die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze aus der Gruppe der metallorganischen Porphyrine und deren Derivaten enthält. Dabei sind als metallorganische Zusätze zur ionischen Flüssigkeit besonders bevorzugt Substanzen aus der Gruppe der Phthalocyanine mit Mn2+, Cu2+, Fe2+/3+ oder Pb2+ als Metallkation.A further preferred embodiment relates to the use of the electrochemical gas sensor for the amperometric detection / measurement of gases from the group of CO, O 2 , NO, NO 2 and H 2 , the ionic liquid containing organometallic additives. In these gases (CO, O 2 , NO, NO 2 and H 2 ), it is particularly preferred if the ionic liquid contains organometallic additives from the group of organometallic porphyrins and their derivatives. Substances from the group of the phthalocyanines with Mn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ / 3+ or Pb 2+ as metal cation are particularly preferred as organometallic additions to the ionic liquid.
Die Lösungen, d. h. die ionischen Flüssigkeiten, welche organische und/oder metallorganische und/oder anorganische Zusätze enthalten, fungieren als Leiter zweiter Ordnung in Gassensoren im klassischen Sinne einer Clark-Zelle mit Edelmetallkatalysatoren bzw. Kohlenstoff als Mess- und Gegenelektrode (ME, GE) als Zweielektrodensystem bzw. mit einer zusätzlichen Bezugselektrode (BE) im Dreielektrodenbetrieb bzw. mit weiteren zusätzlichen Elektroden, wenn man den Sensor mit einer Schutzelektrode oder weiteren Messelektroden ausstattet. Die Zuschläge können den ionischen Flüssigkeiten in Form einer wässrigen Lösung zugesetzt werden oder auch mit diesen zusammengeschmolzen bzw. in diesen suspendiert werden. Die Art der Zugabe hängt von der Wasserlöslichkeit des Zuschlages, von der Hydrophilie der ionischen Flüssigkeit und von der zu erwartenden Sekundärreaktion ab.The Solutions, d. H. the ionic liquids, which organic and / or organometallic and / or inorganic additives contain, act as second-order conductors in gas sensors in the classical sense of a Clark cell with noble metal catalysts or carbon as measuring and counterelectrode (ME, GE) as a two-electrode system or with an additional reference electrode (BE) in three-electrode mode or with additional additional electrodes, if the Sensor equipped with a protective electrode or other measuring electrodes. The additives can be ionic liquids be added in the form of an aqueous solution or also melted together with these or suspended in these become. The type of addition depends on the water solubility of the aggregate, of the hydrophilicity of the ionic liquid and on the expected secondary reaction.
Beschreibung der Abbildungen/FigurenDescription of the illustrations / figures
- 11
- Gassensorgas sensor
- 22
- Sensorgehäusesensor housing
- 33
- Gaspermeable Membran zwischen Messelektrode und Öffnung für GaseinlassGas permeable Membrane between measuring electrode and opening for gas inlet
- 3a3a
- Schicht aus Katalysator/Elektrodenmaterial und Elektrolyt als Messelektrodelayer made of catalyst / electrode material and electrolyte as measuring electrode
- 4, 4a, 4b4, 4a, 4b
- Separator(en) auf Glasfaser- oder Silikatbasis mit Elektrolyt getränktSeparator (s) impregnated with electrolyte on a fiberglass or silicate basis
- 55
- Bezugselektrodereference electrode
- 66
- Gegenelektrodecounter electrode
- 77
- Ausgleichsvolumencompensating volume
- 88th
- Messelektronik zum Verstärken des Sensorsignalsmeasuring electronics for amplifying the sensor signal
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert.following the invention will be further explained by way of examples.
BeispieleExamples
Beispiel 1: Cl2SensorExample 1: Cl 2 sensor
Der
Aufbau ist analog zur Sensorskizze in
Das
Ergebnis ist graphisch in
Beispiel 2: SO2SensorExample 2: SO 2 sensor
Der Sensor ist analog zu Beispiel 1 aufgebaut. Abweichen ist die Messelektrode nicht auf einer Membran aufgebracht, sondern der Katalysator mit dem Elektrolytpulver direkt zu einer Elektrode verpresst, die von einer PTFE Membran abgedeckt wird. Die Begasung erfolgte mit 10 ppm SO2 Gas in Luft bei einem Fluss von 200 l/h.The sensor is constructed analogously to Example 1. Deviating the measuring electrode is not applied to a membrane, but pressed the catalyst with the electrolyte powder directly to an electrode, which is covered by a PTFE membrane. Fumigation was carried out with 10 ppm SO 2 gas in air at a flow of 200 l / h.
Beispiel 3: NH3-SensorExample 3: NH 3 sensor
Der Sensor ist analog zu Beispiel 1 aufgebaut. Der Elektrolyt EMIM MeSO3 enthält abweichend zu Beispiel 1 1% MnCl2. Dieses wird kristallin in die auf 100°C erhitzte ionische Flüssigkeit eingerührt bis man eine klare Lösung erhält. Diese wird im Verhältnis 1 zu 2 mit Kieselgel vermengt. Das daraus erhaltene Pulver wird in einer Tablettenpresse zu 1 mm dicken Scheiben gepresst. Der Sensor funktioniert auch, wenn anstatt einer ME aus einer Mischung aus Gold und Kohlenstoff eine ME aus reinem Kohlenstoff eingesetzt wird. Die Begasung erfolgte mit 50 ppm NH3 in Luft bei einem Fluss von 200 l/h.The sensor is constructed analogously to Example 1. In contrast to Example 1, the electrolyte EMIM MeSO3 contains 1% MnCl 2 . This is stirred in crystalline form in the heated to 100 ° C ionic liquid until a clear solution is obtained. This is mixed in a ratio of 1: 2 with silica gel. The resulting powder is pressed in a tablet press to 1 mm thick slices. The sensor also works when a ME of pure carbon is used instead of a ME made from a mixture of gold and carbon. The fumigation was carried out with 50 ppm NH 3 in air at a flow of 200 l / h.
Das
Ergebnis ist graphisch in
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