[发明专利]具有含单烷基铵、二烷基铵或三烷基铵阳离子中至少之一的离子液体电解质体系的电化学气体传感器

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月1日提交的德国专利申请号10 2008 044 240.2的权益，所述专利的公开内容通过引用并入本文。

发明背景

气体传感器的基本测量元件是电化学电池，所述电化学电池包括经电解质(即离子导体)相互接触的至少两个电极。在电池对大气开放的一侧上，气体可以流到其中一个电极(工作电极或传感电极)，并在该处被电化学转化。由该转化产生的电流与所存在的气体的量成比例。例如可用于提供警报的信号由电流产生。文献中描述了多种电解质体系。硫酸是最常用的电解质之一，并且用于常用气体如CO、H₂S或O₂的传感器中。例如，参见美国专利No.3,328,277。

由于某些待测气体仅在中性电化学介质中具有足够的反应性，因而还已描述了包含中性或碱性无机盐作为导电盐的含水电解质。例如，参见美国专利No.4,474,648和德国专利No.DE 4238337。

上述电解质体系是吸湿性的(即，它们可从周围环境吸收水)。吸湿性电解质可期望用于干燥或低湿度环境以延迟电池的干燥。然而，在高湿度环境下，吸湿性电解质可吸收过多的水而致使电解质从电池中泄露。为了防止电解质的这种泄露，传感器电池通常包括大约5至7倍于其电解质填充体积的额外体积或储备体积。这种大储备体积的包括与减小传感器电池的总体尺寸的一般目的不符。

在许多传感器中，使用含有混于其内以确保离子导电性的导电盐的有机液体作为电解质来限制高湿度环境下的水分吸收。例如，参见美国专利No.4,169,779。然而，在高相对湿度下的优点在低湿度和/或高环境温度下变成缺点，因为无法从大气中再吸收蒸发的溶剂，因此其从传感器电池中失去而不能回收。

离子液体(IL)也已经被用作电解质。离子液体被定义为熔点低于100℃的液体盐。某些离子液体的盐状结构导致不存在可测量的蒸气压。离子液体的性质变化很大，并且取决于例如在离子液体中存在的有机侧链以及其阴离子和阳离子的类型和数目。熔点低于-40℃的离子液体也是可用的。许多离子液体既是化学稳定的也是电化学稳定的，并且具有高的离子导电性。多种离子液体在可测量条件下不是吸湿性的。这种性质使离子液体成为电化学气体传感器中的良好电解质。

首次描述的离子液体在气体传感器中的使用是与高二氧化硫浓度有关的使用。Cai等人，Journal of East China Normal University(Natural Science)，article number 1000-5641(2001)03-0057-04。离子液体作为气体传感器中的电解质的用途也已公开于，例如英国专利No.GB 2395564、美国专利No.7,060,169和公开的德国专利申请DE 102005020719。GB 2395564一般性地描述了离子液体作为电解质的用途。美国专利No.7,060,169公开了纯咪唑盐和吡啶盐作为离子液体电解质的用途。公开的德国专利申请DE 102005020719公开了在不用扩散膜的情况下形成开放式气体传感器的可能性。这种技术在使传感器小型化中的使用潜力在公开的德国专利申请DE 102004037312中有述。

尽管离子液体在多种气体传感器中用作传统(气态)电解质的替代物，但是在离子液体中的化学过程与含水和有机体系中的那些化学过程根本不同，并且离子液体中的化学过程并未得到充分表征。例如参见P.Wasserscheid，Angew.Chem.2000，112，3926-3945和K.R.Seddon，Pure Appl.Chem.第72卷，第7期，第1391-1398页，2000。

发明内容

在一个方面中，电化学气体传感器包含离子液体作为电解质。所述离子液体包含选自单烷基铵阳离子、二烷基铵阳离子和三烷基铵阳离子中的至少一种阳离子。所述阳离子的各个烷基可以是支化的或非支化的，并且可具有1至4个碳原子。在所述二烷基铵阳离子和所述三烷基铵阳离子的情况下所述阳离子的各个烷基可相同或不同。在多个实施方案中，所述各个烷基具有2至4个碳原子。

所述电化学气体传感器的所述电解质例如可以以至少90％的程度被吸入固体材料中或者所述电解质可以不含吸收剂。

在多个实施方案中，所述电化学气体传感器包括至少两个电极，所述至少两个电极与所述离子液体离子接触，并且通过至少一个隔离器或通过空间彼此电绝缘。