[发明专利]以Co1‑xZnxFe2O4为敏感电极材料的丙酮传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种以Co_1-xZn_xFe₂O₄(0.3≤x≤0.7)为敏感电极材料的YSZ基混成电位型丙酮(acetone)传感器及其制备方法，其主要用于大气环境和糖尿病的检测。

背景技术

丙酮，又名二甲基酮，为最简单的饱和酮。是一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味是重要的有机合成原料。吸入丙酮会引起严重的不良反应从而引发中毒，急性中毒会对中枢神经起麻醉作用，从而出现乏力、头晕、恶心、易激动等症状。重者会发生呕吐、痉挛，甚至昏迷，长时间吸入会导致咽炎、支气管炎等。皮肤长期反复接触可致皮炎。所以，在公共场所检测高浓度丙酮是非常重要的。与此同时，随着人们生活水平的提高，糖尿病患者与日俱增，而临床医学表明糖尿病患者呼气中的丙酮含量超过1.8ppm，远高于正常人的0.3-0.9ppm。因此，通过对疑似患者的呼气中丙酮含量的检测，可以有效地进行无创诊断。如果能实现仪器便携化和实时监测，将有利于糖尿病的预防和诊断。

目前，检测低浓度的丙酮主要依赖大型分析仪器，例如气质联谱和光谱等方法，然而其体积大、价格高，无法实时检测等缺点限制了其在糖尿病诊断上的应用。而气体传感器具有价格低，制作工艺简单、灵敏度高、可用于实时检测等优点，可以应用与构建便携式丙酮检测仪。因此成为了目前的研究热点。

气体传感器类型广泛，而基于固体电解质和氧化物敏感电极的混成电位型传感器除具有灵敏度高、响应恢复快、选择性好等优点外，典型的固体电解质---稳定氧化锆(YSZ)和氧化物敏感电极材料具有检测范围广，良好的热稳定性、化学稳定性，和耐湿性等优点，因此由二者构成的丙酮传感器在大气污染物和糖尿病监控领域具有潜在的重要应用价值。

稳定氧化锆基混成电位型丙酮传感器的敏感机理是：气氛中丙酮通过敏感电极层向三相反应界面扩散，在扩散过程中由于发生反应(1)，丙酮的浓度会逐渐降低，氧化物敏感电极的多孔性决定丙酮浓度的降低程度。在气体/敏感电极/YSZ导电层的三相界面处，同时发生氧的电化学还原反应和丙酮的电化学氧化反应，反应(2)和(3)构成一个局部电池，当两者反应速率相等时，反应达到平衡，在敏感电极上形成混成电位，它与参考电极的电位差作为传感器的检测信号。检测信号大小由电化学反应(2)和(3)的速率来决定，而反应速率取决于敏感电极材料的电化学和化学催化活性、电极材料微观结构(比如材料的多孔性、粒度、

形貌等)。

反应式如下：

C₃H₆O+4O₂→3CO₂+3H₂O(1)

1/4C₃H₆O+2O^2-→3/4CO₂+3/4H₂O+4e^-(2)

O₂+4e^-→2O^2-(3)

发明内容

本发明的目的是提供一种以铁酸盐Co_1-xZn_xFe₂O₄(0.3≤x≤0.7)为敏感电极的YSZ基混成电位型气体传感器及其制备方法，以提高传感器的最低检测下限、抗湿性和灵敏度等敏感特性。促进这种传感器在工业生产和糖尿病诊断等领域的实用化。本发明的传感器除了检测下限较低外，还具有高灵敏度、良好的抗湿性和稳定性。

本发明所涉及的丙酮传感器是基于固体电解质YSZ和高电化学催化性能Co_1-xZn_xFe₂O₄(0.3≤x≤0.7)复合氧化物材料为敏感电极所构筑的新型丙酮传感器，以YSZ(ZrO₂(8％Y₂O₃，质量分数))作为离子导电层。