電化學(xué)傳感器工作原理

電化學(xué)傳感器是一種通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)（如氣體、液體中的特定成分）與電極間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)（電流或電勢(shì)），來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)濃度定量分析的器件。其核心原理是利用化學(xué)反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，將物質(zhì)的化學(xué)量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)（如SO?、CO、NOx）、工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域。

核心組成結(jié)構(gòu) 

電化學(xué)傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)電極、電解質(zhì)溶液、透氣膜（針對(duì)氣體檢測(cè)），各部分協(xié)同實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與信號(hào)輸出：  

工作電極：目標(biāo)物質(zhì)在此發(fā)生氧化或還原反應(yīng)（核心反應(yīng)區(qū)），產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移。  

對(duì)電極：平衡工作電極的電荷，完成電路閉合（不直接參與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)，僅傳導(dǎo)電子）。  

參比電極：提供穩(wěn)定的電勢(shì)基準(zhǔn)，確保工作電極的電勢(shì)恒定（避免因反應(yīng)導(dǎo)致的電勢(shì)波動(dòng)影響測(cè)量精度）。  

電解質(zhì)溶液：通常為水溶液或有機(jī)電解質(zhì)，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)離子（形成離子回路，與電極的電子回路共同構(gòu)成完整電路）。  

透氣膜：僅允許目標(biāo)氣體透過(guò)（如PTFE膜），隔絕液體或干擾性粉塵，同時(shí)控制氣體擴(kuò)散速度（確保反應(yīng)穩(wěn)定）。  

工作原理（以氣體檢測(cè)為例）

以電廠脫硫出口可能涉及的SO?電化學(xué)傳感器**為例，其反應(yīng)過(guò)程可分為以下步驟：  

1. 擴(kuò)散階段：  

   脫硫出口煙氣中的SO?分子通過(guò)透氣膜擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部，到達(dá)工作電極表面（透氣膜的作用是控制擴(kuò)散速率，使反應(yīng)處于“擴(kuò)散控制"狀態(tài)，確保信號(hào)與濃度成正比）。  

2. 電化學(xué)反應(yīng)階段：  

  在工作電極（通常為貴金屬或?qū)щ娊饘傺趸?，如Au、Pt）上，SO?發(fā)生氧化反應(yīng)（失去電子）（電子通過(guò)外電路從工作電極流向?qū)﹄姌O）  

  同時(shí)，對(duì)電極上發(fā)生還原反應(yīng)（接受電子，平衡電荷），通常是氧氣被還原（利用空氣中的O?或電解質(zhì)中的氧化劑）：  

  3. 電信號(hào)產(chǎn)生與測(cè)量：  

   上述反應(yīng)中，電子通過(guò)外電路的流動(dòng)形成電流，電流大小與SO?的反應(yīng)速率直接相關(guān)。根據(jù)法拉第電解定律：反應(yīng)產(chǎn)生的電流與單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的物質(zhì)的量成正比（即與SO?的濃度成正比）。  

   傳感器通過(guò)電路測(cè)量此電流（通常為微安級(jí)，μA），再通過(guò)校準(zhǔn)曲線將電流值轉(zhuǎn)化為SO?的濃度值（如mg/m3）。（注：參比電極在此過(guò)程中維持工作電極的電勢(shì)穩(wěn)定，確保反應(yīng)僅由目標(biāo)物質(zhì)濃度驅(qū)動(dòng)，不受外界電勢(shì)波動(dòng)干擾。）  

主要類(lèi)型與特點(diǎn)  

根據(jù)測(cè)量電信號(hào)的類(lèi)型，電化學(xué)傳感器可分為兩類(lèi)：  

1. 電流型傳感器：  

  測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)生的電流（與目標(biāo)物質(zhì)濃度成正比），如SO?、CO、H?S傳感器。  

  優(yōu)勢(shì)：靈敏度高（可測(cè)ppm甚至ppb級(jí)）、響應(yīng)速度快（秒級(jí)）、線性范圍寬，適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。  

2. 電勢(shì)型傳感器：  

   測(cè)量工作電極與參比電極間的電勢(shì)差（與目標(biāo)物質(zhì)濃度的對(duì)數(shù)成正比，遵循能斯特方程），如pH傳感器、離子選擇性電極（如測(cè)氟離子、氯離子）。  

   優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需外部供電（部分類(lèi)型），但響應(yīng)速度較慢，線性范圍較窄。  

關(guān)鍵特性與應(yīng)用限制

優(yōu)勢(shì)：體積小、成本較低、可直接輸出電信號(hào)（便于與數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成），適合便攜式或在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。  

限制：  

受環(huán)境因素影響大（溫度、濕度會(huì)改變反應(yīng)速率，需溫度補(bǔ)償）；  

電解質(zhì)易損耗（壽命通常1-3年，需定期更換）；  

易受干擾氣體影響（如其他還原性氣體可能在工作電極上反應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)量偏差，需透氣膜或電極材料選擇性優(yōu)化）。  

總結(jié)

電化學(xué)傳感器的核心是“化學(xué)反應(yīng)→電子轉(zhuǎn)移→電信號(hào)→濃度計(jì)算"的轉(zhuǎn)化過(guò)程，通過(guò)精準(zhǔn)控制電極反應(yīng)和信號(hào)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的定量檢測(cè)。在電廠脫硫出口SO?監(jiān)測(cè)中，雖紫外法更常用，但電化學(xué)傳感器因其低成本和小型化優(yōu)勢(shì)，也常用于便攜式抽檢或輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備中。