碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Nafion基電流型CO傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Nafion基電流型CO傳感器及其制備方法，其主要用于大氣環(huán)境中微量CO的監(jiān)測。其主要由不銹鋼氣體擴(kuò)散帽、膜電極、不銹鋼集電層和不銹鋼儲水罐四部分組成，膜電極是由兩個碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層和位于兩個敏感材料層之間的Nafion膜構(gòu)成。本發(fā)明以Nafion膜為固態(tài)電解質(zhì)，利用碳材料擔(dān)載貴金屬鉑顆粒作為敏感材料，通過改變碳材料的種類(導(dǎo)電炭黑、多壁碳納米管、碳纖維)來增強(qiáng)鉑顆粒的分散性，以提高鉑顆粒的有效催化面積，從而達(dá)到在低鉑擔(dān)載量的條件下提高敏感特性的目的。
【專利說明】
碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf i on基電流型CO傳感 器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感 材料的Nafion基電流型C0傳感器及其制備方法，其主要用于大氣環(huán)境中微量C0的監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] -氧化碳(C0)作為大氣環(huán)境主要污染物之一，主要產(chǎn)生于石油、天然氣等能源的 不完全燃燒過程。C0是一種無色無味的有毒氣體，進(jìn)入人體后極易與血紅蛋白結(jié)合，抑制細(xì) 胞呼吸，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的中毒反應(yīng)，輕則使人昏迷，嚴(yán)重時能使人喪命。我國環(huán)境衛(wèi)生部門 規(guī)定空氣中C0的日平均濃度不得超過0.8ppm，一次性最高容許濃度為2.4ppm。因此研發(fā)對 環(huán)境中微量C0實行監(jiān)測的傳感器對環(huán)境保護(hù)及生命安全等方面均具有重大的意義。
[0003] 目前對于低濃度C0的檢測主要采用氣相色譜法或者紅外光譜法等測試方法，這些 測試方法普遍都比較復(fù)雜，而且造價高，體積大，不利于實時、在線檢測。與這些測試方法相 比，采用氣體傳感器來檢測C0的方法具有體積小、價格低廉、操作簡單、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，因 此備受研究者的關(guān)注。
[0004] 基于Naf ion膜的電流型傳感器在室溫下工作，不采用任何加熱設(shè)備，功耗低，進(jìn)一 步簡化了傳感器制作過程;采用固態(tài)聚合物膜作為電解質(zhì)，因此避免了環(huán)境污染;與C0濃度 呈現(xiàn)良好的線性，靈敏度高，響應(yīng)時間短，檢測下限低;傳感器附帶的儲水罐能維持Nafion 膜的高濕度，保證膜的質(zhì)子導(dǎo)電率，從而使傳感器穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。
[0005] 這種新型的電流型傳感器核心部件是由雙催化層和Naf i on膜構(gòu)成的膜電極，其敏 感機(jī)理如圖lb所示:當(dāng)傳感器接觸C0氣體時，在膜電極的陽極發(fā)生如下反應(yīng)：
[0006] CO+H2〇-C〇2+2H++2e- [1]
[0007] 2H++l/2〇2+2e--H2〇 [2]
[0008] 同時，膜電極的陰極發(fā)生下面的反應(yīng)：
[0009] 2H++l/2〇2+2e--H2〇 [3]
[0010] 因此，膜電極總的反應(yīng)為：
[0011] CO+〇2^C〇2 [4]
[0012]在陽極，⑶在貴金屬Pt的催化作用下與環(huán)境中存在的H20發(fā)生反應(yīng)[1]，而反應(yīng)生 成的部分電子以及質(zhì)子將會立即與氧氣反應(yīng)生成水，即發(fā)生反應(yīng)[2]，剩余的質(zhì)子將通過 Nafion膜轉(zhuǎn)移到陰極，而剩余的電子只能由外電路傳輸至陰極，到達(dá)陰極的質(zhì)子和電子將 與陰極附近存在氧氣反應(yīng)生成水(反應(yīng)[3])。因此總的反應(yīng)為C0的氧化反應(yīng)(反應(yīng)[4])，而 傳感器的響應(yīng)值即為反應(yīng)[1]和反應(yīng)[2]達(dá)到平衡時由外電路傳輸?shù)碾娮訑?shù)量。
[0013]由上述反應(yīng)機(jī)理可知，在膜電極的制作過程中，催化劑顆粒與C0氣體之間有效的 接觸面積、質(zhì)子和電子以及反應(yīng)氣體在膜電極的傳輸電阻等因素均會對傳感器的敏感特性 產(chǎn)生巨大影響，因此，在傳感器的制作過程中，膜電極的結(jié)構(gòu)和組成顯得尤為重要。對于這 方面，本課題組之前已經(jīng)做過部分研究，發(fā)現(xiàn)采用乙二醇去均勻分散催化劑粉末時制作的 傳感器性能最佳，靈敏度能達(dá)到〇.〇88yA/ppm(Yehui Guan，Mingjun Dai，Tong Liu， Yingwei Liu，F(xiàn)angmeng Liu，Xishuang Liang,Hui Suo，Peng Sun and Geyu Lu,Effect of the dispersants on the performance of fuel cell type CO sensor with Pt_C/ Nafion electrodes，Sensors and Actuators 13:〇16111；[。&1，2016,230,61-69.)。然而該傳 感器兩個電極的Pt擔(dān)載量為2.5mg/cm 2，這使得傳感器的造價變得很高，不利于傳感器的商 用化。因此在維持高的靈敏度的條件下，研發(fā)低Pt擔(dān)載量的傳感器仍然是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf ion基電流 型CO傳感器及其制備方法，以降低膜電極Pt擔(dān)載量，從而降低制作成本，為此類傳感器的商 業(yè)化提供可能。本發(fā)明所得到的傳感器除了 Pt擔(dān)載量低、靈敏度高以外，還具有較低的檢測 下限、響應(yīng)時間短、良好的選擇性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。
[0015] 本發(fā)明涉及的Naf ion基電流型C0傳感器采用碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒(Pt:C =1:3~5)作為敏感電極材料，Naf i on膜為固態(tài)電解質(zhì)。該傳感器結(jié)構(gòu)如圖1 a所示，主要由 氣體擴(kuò)散帽、膜電極、集電層和儲水罐四部分組成，其中膜電極是傳感器的核心，由碳纖維 擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層和位于兩個敏感材料層之間的Naf ion膜構(gòu)成，碳纖維擔(dān) 載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料的制備方法為：
[0016] 配置50~lOOmM的H2PtCl6水溶液，然后量取一定體積的H 2PtCl6水溶液與一定量的 碳纖維粉末及檸檬酸三鈉 (Na3C6H5〇7 · 2H20)混合并加水至30~80mL，使Pt4+、C、Na3C 6H5〇7 · 2H20的質(zhì)量比為1:3~5:1~3，將混合溶液超聲處理1~2h;稱取NaBH4粉末溶于50~100mL、 0.1~0.5M的NaOH溶液中，使H2PtCl6與NaBH4的質(zhì)量比為1:1~2，然后將其逐滴加入至上述 混合溶液中，同時將混合溶液在50~80°C的水浴條件下磁力攪拌2~4h;待充分反應(yīng)后，對 以上混合溶液進(jìn)行過濾、洗滌處理，最后將得到的沉淀在80~100°C條件下干燥，即得到碳 纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料。
[0017] 本發(fā)明所述的C0傳感器制備步驟如下：
[0018] (1)膜電極的預(yù)處理:將Naf ion膜剪切成面積為4~6cm2的小塊，然后將其浸泡在 200~25011^、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%的!1202溶液中并在70~80°(：水浴下加熱1~211;將似行〇11 膜取出，用去離子水反復(fù)沖洗3~5次，然后再放入200~250mL、0.3~0.8M的H2S〇4溶液中并 在70~80 °C水浴下加熱1~2h;取出Naf ion膜，用去離子水沖洗3~5次后放入200~250mL去 離子水中，并于70~80°C水浴下加熱1~2h;最后用去離子水沖洗3~5次后待其自然晾干； [0019] (2)制備分散溶液：用移液槍分別量取50~100yL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %~10 %的Naf i on 溶液、200~400yL H20及50~100yL乙二醇，混合均勻即得到分散劑溶液；
[0020] (3)敏感材料轉(zhuǎn)移層制備:將兩片聚四氟乙烯(PTFE)膜分別用膠帶固定在刮板上， 在每片聚四氟乙烯膜的上表面留出4~6cm 2的空白區(qū)域;量取100~200yL分散劑溶液加入 到該空白區(qū)域，同時稱取5~15mg碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒粉末加入到分散劑溶液中 并使其分散均勻，然后在80~100 °C條件下干燥7~10min，從而在聚四氟乙烯膜的表面上得 到厚度為1〇〇~200μηι的碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層；
[0021] (4)熱壓膜電極:將步驟（1)得到的Naf ion膜放在步驟(3)得到的兩片聚四氟乙烯 膜之間，兩層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層相向放置，然后在8~lOMPa、90~ 120°C條件下熱壓30~90s;降溫至室溫，將剝離聚四氟乙烯膜后得到的Naf ion膜依次浸泡 在0.3~0.811的賊〇4溶液和去離子水中各1~2h，取出自然晾干后得到膜電極；
[0022] (5)將步驟(4)得到的膜電極裁剪后與氣體擴(kuò)散帽、集電層、儲水罐組裝并進(jìn)行密 封，即得到本發(fā)明所述的基于Nafion膜的電流型C0傳感器。
[0023]本發(fā)明以Nafion膜作為固態(tài)電解質(zhì)，利用具有高催化活性的貴金屬Pt納米顆粒為 敏感材料，通過采用不同碳擔(dān)載材料(導(dǎo)電炭黑、多壁碳納米管和碳纖維)來控制Pt納米顆 粒的粒徑和分散性，達(dá)到提高敏感特性的目的。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0025] (1)敏感材料采用直接沉淀法制備得到，方法簡單，易于批量生產(chǎn)。同時Pt擔(dān)載量 低，造價進(jìn)一步降低。
[0026] (2)膜電極結(jié)構(gòu)簡單，敏感材料直接與Naf ion膜接觸，接觸電阻小，氣體傳輸距離 短。
[0027] (3)通過采用不同的碳擔(dān)載材料，獲得不同尺寸和分散性的Pt納米顆粒，從而增強(qiáng) 鉑與碳材料之間的相互作用，增大Pt粒子的有效催化面積，進(jìn)而增強(qiáng)Pt的催化活性，達(dá)到提 高靈敏度的目的。
【附圖說明】
[0028]圖la:本發(fā)明所述的電流型⑶傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；lb:膜電極的結(jié)構(gòu)及敏感機(jī)理 圖。
[0029] 圖la中各部分名稱:器件1、不銹鋼氣體擴(kuò)散帽2、膜電極3、不銹鋼集電層4、不銹鋼 儲水罐5,其中不銹鋼集電層4、膜電極3、不銹鋼氣體擴(kuò)散帽2依次由下至上裝于不銹鋼儲水 罐5內(nèi)共同構(gòu)成器件1。傳感器通過外電路與CHI611C電化學(xué)工作站及電腦相連，其中不銹鋼 氣體擴(kuò)散帽上表面與外電路正極相連，不銹鋼儲水罐下表面與外電路負(fù)極相連。
[0030] 圖lb中膜電極為三層結(jié)構(gòu)，由上至下依次為上層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏 感材料層、Naf ion膜、下層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層。如圖lb所示，當(dāng)膜電 極的上層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層（陽極)與C0接觸時，在Pt納米顆粒的催 化作用下發(fā)生C0與H 20的反應(yīng)及H20的生成反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)過不銹鋼氣體擴(kuò)散帽由 外電路傳輸至不銹鋼儲水罐，然后經(jīng)不銹鋼集電層到達(dá)下層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒 敏感材料層（陰極），而質(zhì)子則通過Nafion膜轉(zhuǎn)移至陰極，同樣在陰極Pt納米顆粒的催化作 用下發(fā)生H 20的生成反應(yīng)，因此整個反應(yīng)過程即為C0與02的反應(yīng)。
[0031]圖2:本發(fā)明所采用的三種碳材料在擔(dān)載Pt納米顆粒前后的XRD圖。（其中橫坐標(biāo)為 衍射角度，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度）。
[0032]如圖2所示，為3種碳材料在擔(dān)載Pt粒子前后的XRD圖，圖中至上而下分別顯示碳纖 維(CFs)、多壁碳納米管(MWCNTs)、導(dǎo)電炭黑（CBs)、鉑/碳纖維(Pt/CFs)、鉑/多壁碳納米管 (Pt/MWCNTs)、鉑/導(dǎo)電炭黑(Pt/CBs)以及編號為Pt#04-0802的標(biāo)準(zhǔn)卡片的XRD衍射圖譜。從 圖中可以發(fā)現(xiàn)三種碳材料均符合石墨化的晶型；另外與標(biāo)準(zhǔn)卡片相對比，三種碳材料表面 沉積的Pt粒子均與編號為Pt#04-0802的標(biāo)準(zhǔn)卡片一致，表明沉積在碳材料表面的確實是Pt 金屬粒子。
[0033]圖3:本發(fā)明所述的三種碳材料擔(dān)載Pt粒子前后的SEM圖，其中插圖均為擔(dān)載前碳 材料的微觀形貌。
[0034] 如圖3所示，a:導(dǎo)電炭黑，b:多壁碳納米管，c:碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒的SEM圖，由 圖可知Pt粒子的分散性按照三種碳材料的不同逐漸變大，采用碳纖維作擔(dān)載材料時Pt粒子 分散性最佳。
[0035] 圖4:利用三種敏感材料制備膜電極時Naf ion膜(A)及PTFE膜(B)在熱壓前后的示 意圖。
[0036]圖4顯示Nafion膜(A)和PTFE膜(B)在熱壓前后的示意圖，至上而下分別為a:鉑/導(dǎo) 電炭黑、b:鉑/多壁碳納米管和c:鉑/碳纖維，發(fā)現(xiàn)采用鉑/碳纖維粉末作敏感材料時， Nafion膜變形最小，而PTFE膜表面殘留最少，表明得到的膜電極形貌最佳，實際Pt擔(dān)載量最 大。
[0037]圖5:利用三種敏感材料制備的傳感器在50ppm⑶條件下的長期穩(wěn)定性。（橫坐標(biāo) 為測試天數(shù)，縱坐標(biāo)為響應(yīng)電流）
[0038]如圖5所示，為實施例1、2、3所制作器件在50ppm⑶條件下的長期穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在 經(jīng)過30天后，采用鉑/碳纖維做敏感材料制作的傳感器對50ppm C0響應(yīng)電流值依然維持在 較大的數(shù)值，并且退化最小，顯示其穩(wěn)定性最佳。
[0039]圖6:利用三種敏感材料制備的傳感器在老化30天后對50ppm C0的響應(yīng)曲線(a)及 靈敏度曲線(b)。（圖a:橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為響應(yīng)電流；圖b:橫坐標(biāo)為⑶濃度，縱坐標(biāo)為 響應(yīng)電流）
[0040] 如圖6所示，為實施例1、2、3所制作的器件對50ppm⑶的響應(yīng)對比（a)及靈敏度對 比（b)圖，從圖中可以看出實施例1、2、3對50ppm⑶的響應(yīng)分別為1.70μΑ、2.49μΑ、5.03μΑ， 與之相對的靈敏度分別為0.032μΑ/ρρπι、0.037μΑ/ρρπι、0.077μΑ/ρρπι，表明采用鉑/碳纖維作 為敏感材料時，傳感器具有最高的靈敏度。
[0041] 圖7:利用鉑/碳纖維作敏感材料而制備的傳感器對C0的連續(xù)響應(yīng)曲線。（圖中橫坐 標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為響應(yīng)電流值）
[0042]圖7顯示實施例3得到的傳感器對C0的連續(xù)響應(yīng)曲線，其中C0濃度范圍為a: 1~ 200ppm，b:0.1~0.5ppm。由圖中可以看出傳感器對0. lppm C0響應(yīng)值為0.03μΑ，表明傳感器 的檢測下限為O.lppm，另外也顯示傳感器對C0濃度具有很好的線性關(guān)系。
[0043] 圖8:利用鉑/碳纖維作敏感材料而制備的傳感器的選擇性。（圖中橫坐標(biāo)為響應(yīng)電 流值，縱坐標(biāo)為測試氣體，由上至下依次是C 2H4、S02、N0、n〇2、H2和C0。）
[0044] 圖8顯示利用鉑/碳纖維作敏感材料而制備的傳感器的選擇性，其中測試濃度均為 50ppm，從圖中可以發(fā)現(xiàn)該傳感器對C0的響應(yīng)值最大，而對其他干擾氣體響應(yīng)值很小，說明 傳感器具有良好的選擇性。
[0045]圖9a:利用鉬/碳纖維作敏感材料而制備的傳感器在不同濕度下對50ppm C0的響 應(yīng)值(橫坐標(biāo)為相對濕度，縱坐標(biāo)為響應(yīng)值）；b:該傳感器在不同氧濃度下對50ppm C0的響 應(yīng)值(橫坐標(biāo)為氧分壓，縱坐標(biāo)為響應(yīng)值;插入圖為不同氧濃度下器件對50ppm C0的響應(yīng)曲 線)。
[0046]圖9a和圖9b分別顯示濕度和氧濃度對利用鉑/碳纖維作敏感材料而制備的傳感器 性能的影響，發(fā)現(xiàn)濕度和氧濃度對器件的影響分別在10%和5%以下，表明該器件對濕度和 氧濃度均具有很好的抗干擾性。
【具體實施方式】
[0047] 實施例1:
[0048] 用直接還原法制備鉑/導(dǎo)電炭黑敏感材料，然后利用該敏感材料制備C0傳感器，并 測試傳感器的氣敏特性，具體過程如下：
[0049] 1.制備鉑/導(dǎo)電炭黑敏感材料:采用直接還原法制備鉑/導(dǎo)電炭黑敏感材料。稱取 〇. 2g導(dǎo)電炭黑，將其分散在5mL、50mM H2PtCl6水溶液中，同時向其中加入0.3g檸檬酸三鈉和 45mL H20，然后將混合液超聲處理30min;接著稱取50mg的NaBH4粉末溶于50mL、0.1M的NaOH 溶液，然后將其逐滴加入到上述分散均勻的混合溶液中，同時在50°C下攪拌2h;將得到的沉 淀過濾，洗滌，通過檢驗濾液中的Cr來證明沉淀已洗干凈;最后將沉淀放入80 °C烘箱中烘 干12h，收集得到鉑/導(dǎo)電炭黑敏感材料。
[0050] 2.制作膜電極:將PTFE膜剪成2.5*2.5cm2大小的小片，然后利用0.18mm厚的膠帶 將其固定在刮板上，中間留出面積為2 * 2 c m2的空白區(qū)域；量取10 0 μ L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的 Nafion溶液、200yL H20、50yL乙二醇，充分混合后得到分散劑溶液，在空白區(qū)域加入100yL 分散液;稱取l〇mg鉑/導(dǎo)電炭黑粉末加入到分散液中，利用刮刀充分分散后，放入90°C烘箱 中7min〇
[00511將一片面積為2*2cm2的Naf ion膜放在兩片烘干的PTFE膜之間，2個碳纖維擔(dān)載貴 金屬Pt納米顆粒敏感材料層相向放置，并在8MPa、90 °C下熱壓90s;待熱壓機(jī)溫度降至室溫 后，將兩片PTFE膜剝離，隨后將膜電極分別浸泡在0.511的賊04溶液、H20中2h;最后取出膜電 極，自然晾干備用。
[0052] 3.器件制作、封裝。將步驟2得到的膜電極按照集電層大小剪出同樣大小的圓片； 向儲水罐中加入90%體積的去離子水，接著依次放上集電層、膜電極圓片和氣體擴(kuò)散帽；最 后采用玻璃膠對器件進(jìn)行密封，即制作完成電流型C0傳感器。
[0053] 4、傳感器氣敏特性測試。首先將步驟3得到的傳感器連入外電路并依次連接 CHI 611C電化學(xué)工作站和電腦，其中傳感器氣體擴(kuò)散帽上表面與外電路正極相連，儲水罐下 表面與外電路負(fù)極相連;然后利用真空栗將1L氣瓶抽空，隨后利用注射器向其中分別充入 0 · 01mL、0 · 03mL、0 · 05mL、0 · lmL、0 · 5mL、lmL、2mL、4mL、5mL、10mL、15mL、20mL體積分?jǐn)?shù)為1 % 的⑶氣體并與空氣相混合，即得到濃度為0 · lppm、0 · 3ppm、0 · 5ppm、lppm、5ppm、10ppm、 20ppm、40ppm、50ppm、lOOpprn、150ppm、200ppm的CO氣體;將傳感器放入充有0 · lppm CO的氣 瓶中300s，然后取出傳感器并置于空氣中300s;隨后按此操作將傳感器分別放入CO濃度為 0 · 3ppm、0 · 5ppm、lppm、5ppm、10ppm、20ppm、40ppm、50ppm、lOOpprn、150ppm、200ppm 的氣并瓦中， 由電化學(xué)工作站記錄整個過程中傳感器電流隨時間變化的規(guī)律并顯示于電腦上，即得到了 傳感器電流隨時間變化的數(shù)據(jù);最后通過數(shù)據(jù)分析即得到傳感器對C0氣體的敏感特性。 [0054] 實施例2:
[0055]采用多壁碳納米管作為擔(dān)載材料，按照實施例1的方法分別制作鉑/多壁碳納米管 敏感材料和傳感器，并進(jìn)行氣敏測試。
[0056] 實施例3:
[0057]將碳纖維作為擔(dān)載材料，按照實施例1的方法分別制作鉑/碳纖維敏感材料和傳感 器，并進(jìn)行氣敏測試。
[0058]在上述實施例中，敏感材料的使用量均為10mg，而由圖4可知，在熱壓結(jié)束后，實施 例3制備膜電極時，PTFE膜表面敏感材料殘留量最少，電極表面鉑的實際擔(dān)載率最大。表1分 別列出三種傳感器的陽極和陰極Pt顆粒的實際擔(dān)載量，從表中可以看出，利用鉑/碳纖維作 敏感材料而制備的傳感器陽極和陰極的Pt實際擔(dān)載量分別為0.63mg/cm 2和0.54mg/cm2。說 明當(dāng)保證傳感器敏感電極鉑擔(dān)載量相同時，實施例3鉑的使用量最小。另外通過氣敏特性的 測試亦可以發(fā)現(xiàn)（圖5和圖6)，實施例3得到的傳感器穩(wěn)定性最好，對C0具有最高的靈敏度 (0.077μΑ/ρρπι)和最短的響應(yīng)恢復(fù)時間（28s和32s)。以上結(jié)果均說明實施例3得到的傳感器 對 C0具有最佳的敏感特性。
[0059]表1、采用鉑/導(dǎo)電炭黑、鉑/多壁碳納米管、鉑/碳纖維三種敏感材料制備的傳感器 陽極和陰極鉑實際擔(dān)載量
[0060]
【主權(quán)項】
1. 一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf ion基電流型CO傳感器，由不銹鋼氣 體擴(kuò)散帽(2)、膜電極(3)、不銹鋼集電層(4)和不銹鋼儲水罐(5)四部分組成，不銹鋼集電層 (4)、膜電極(3)、不銹鋼氣體擴(kuò)散帽（2)依次由下至上裝于不銹鋼儲水罐(5)內(nèi)；其特征在 于:膜電極是由兩個碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層和位于兩個敏感材料層之間 的Nafion膜構(gòu)成。2. 權(quán)利要求1所述的一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf ion基電流型C0傳 感器的制備方法，其步驟如下： (1) 膜電極的預(yù)處理：將Naf ion膜剪切成面積為4~6cm2的小塊，然后浸泡在200~ 250mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%的H 2〇2溶液中并在70~80°C水浴下加熱1~2h;將Nafion膜取 出，用去離子水反復(fù)沖洗3~5次，然后再放入200~250mL、0.3~0.8M的H 2S〇4溶液中并在70 ~80 °C水浴下加熱1~2h;取出Naf ion膜，用去離子水沖洗3~5次后放入200~250mL去離子 水中，并于70~80°C水浴下加熱1~2h;最后用去離子水沖洗3~5次后待其自然晾干； (2) 制備分散溶液：用移液槍分別量取50~100yL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%的Naf ion溶 液、200~400yL H20及50~100yL乙二醇，混合均勻即得到分散劑溶液； (3) 敏感材料轉(zhuǎn)移層制備:將兩片聚四氟乙烯(PTFE)膜分別用膠帶固定在刮板上，在每 片聚四氟乙烯膜的上表面留出4~6cm 2的空白區(qū)域;量取100~200yL分散劑溶液加入到該 空白區(qū)域，同時稱取5~15mg碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒粉末加入到分散劑溶液中并使 分散均勻，然后在80~100 °C條件下干燥7~10min，從而在聚四氟乙烯膜的表面上得到厚度 為100~200μηι的碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層； (4) 熱壓膜電極:將步驟（1)得到的Nafion膜放在步驟(3)得到的兩片聚四氟乙烯膜之 間，兩層碳纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料層相向放置，然后在8~lOMPa、90~120°C 條件下熱壓30~90s;降溫至室溫，將剝離聚四氟乙烯膜后得到的Naf ion膜依次浸泡在0.3 ~0.811的賊〇4溶液和去離子水中各1~2h，取出自然晾干后得到膜電極； (5) 將步驟(4)得到的膜電極裁剪后與氣體擴(kuò)散帽、集電層、儲水罐組裝并進(jìn)行密封，BP 得到以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf ion基電流型C0傳感器。3. 如權(quán)利要求2所述的一種以碳纖維擔(dān)載Pt納米顆粒為敏感材料的Naf ion基電流型C0 傳感器的制備方法，其特征在于：配置50~100mi^^H2PtCl6水溶液，然后量取H 2PtCl6水溶 液、碳纖維粉末及檸檬酸三鈉 Na3C6H5〇7 · 2H20混合并加水至30~80mL，使Pt4+、C、Na3C 6H5〇7 · 2H20的質(zhì)量比為1:3~5:1~3，將混合溶液超聲處理1~2h;稱取NaBH4粉末溶于50~100mL、 0.1~0.5M的NaOH溶液中，使H2PtCl6與NaBH4的質(zhì)量比為1:1~2，然后將其逐滴加入至上述 混合溶液中，同時將混合溶液在50~80°C的水浴條件下磁力攪拌2~4h;待充分反應(yīng)后，對 以上混合溶液進(jìn)行過濾、洗滌處理，最后將得到的沉淀在80~100°C條件下干燥，即得到碳 纖維擔(dān)載貴金屬Pt納米顆粒敏感材料粉末。
【文檔編號】G01N27/30GK105973957SQ201610273243
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】盧革宇, 關(guān)業(yè)輝, 梁喜雙, 孫鵬, 孫彥峰, 劉鳳敏, 高原, 馬健, 索輝
【申請人】吉林大學(xué)