DE102008044238A1 - Electrochemical gas sensor used for detecting or measuring chlorine, fluorine, bromine, oxygen or chlorine dioxide, comprises ionic liquid as electrolyte, where ionic liquid comprises organic, organometallic and/or inorganic additives - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor, der eine ionische Flüssigkeit als Elektrolyten enthält. Die ionische Flüssigkeit weist organische und/oder metallorganische und/oder anorganische Zusätze auf.The The present invention relates to an electrochemical gas sensor, containing an ionic liquid as electrolyte. The ionic liquid has organic and / or organometallic and / or inorganic additives.
Das
fundamentale Messprinzip eines Gassensors ist eine elektrochemische
Zelle mit mindestens zwei Elektroden, die über einen Leiter
zweiter Ordnung (Ionenleiter) miteinander in Kontakt stehen. Auf
der zur Atmosphäre offenen Seite der Zelle kann Gas an
die Elektrode strömen und wird dort elektrochemisch umgesetzt.
Der aus der Umsetzung generierte Strom ist proportional zur anwesenden
Gasmenge. Aus ihm wird das Signal für das Gaswarngerät
generiert. 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:
Da
einige Gase sich nur in neutralen elektrochemischen Medien umsetzen
lassen, wurden auch entsprechende wässrige Elektrolyte
mit neutralen oder basischen anorganischen Salzen als Leitsalz beschrieben (siehe
City Technology, 1984:
Eine charakteristische Eigenschaft aller oben beschriebenen Sensortypen ist, dass die dort beschriebenen Elektrolyte hygroskopisch sind. Das ist zum einen gewollt, da die Sensoren mit der sie umgebenden Atmosphäre in Wechselwirkung stehen und aus dieser Wasser aufnehmen können. In Einsatzfeldern mit trockener Umgebung verlangsamt diese Eigenschaft den Austrocknungsprozess der Zelle. Bei hohen Feuchten kann der Elektrolyt jedoch 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 characteristic property of all sensor types described above is that the electrolytes described there are hygroscopic. On the one hand, this is intentional because the sensors are in the surrounding atmosphere interact and absorb water from it. In dry field environments, this property slows down the dehydration process of the cell. At high humidity, the Electrolyte, however, take up so much water that the sensor cell possibly bursts and electrolyte escapes. To this leakage to prevent electrolytes, the sensor cells must about 5 to 7 times their electrolyte fill volume than Reserve space in the sensor. That, in turn, is the general one Endeavor to miniaturize the cells.
Ein
Konzept, das diesen Wasseraufnahmeeffekt bei hohen Luftfeuchten
umgehen will, arbeitet mit 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.
Der
Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in Gassensoren wurde
als erstes von einer chinesischen Forschungsgruppe unter Cai et
al. im Jahre 2001 beschrieben [
In
kurzer Folge wurden mehrere Patentanmeldungen eingereicht, welche
sich auf die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten in
Gassensoren bezogen (Bosch,
Allen Publikationen zu ionischen Flüssigkeiten in Gassensoren ist gemeinsam, dass in ihnen ionische Flüssigkeiten als Ersatz zu klassischen Elektrolyten eingesetzt werden.All publications on ionic liquids in gas sensors have in common that in them ionic Liquids are used as a substitute for classical electrolytes.
Keine
Beachtung in den Schriften über ionische Flüssigkeiten
findet, dass die klassischen (wässrigen) Sensorsysteme
zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit oder Selektivität
häufig über Sekundärreaktionen laufen. Beispiele
hierfür finden sich in den Offenlegungs- beziehungsweise
Patentschriften von Millipore (
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
Nachteilig beziehungsweise verbesserungswürdig bei den oben beschriebenen Ansätzen, die als Elektrolyte reine ionische Flüssigkeiten bzw. Mischungen aus diesen verwenden, ist die Performance der Gassensoren und zwar sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit, als auch der Anstiegszeit, 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 is the performance of the gas sensors in terms of both sensitivity and rise 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 and higher 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, der eine ionische Flüssigkeit als Elektrolyt enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass die ionische Flüssigkeit organische und/oder metallorganische und/oder anorganische Zusätze aufweist.In In other words, the object is achieved by an electrochemical gas sensor solved, the ionic liquid as an electrolyte contains and is characterized in that the ionic Liquid organic and / or organometallic and / or having inorganic additives.
Der elektrochemische Gassensor enthält mindestens 2 Elektroden, welche in elektrischem Kontakt mit der ionischen Flüssigkeit stehen und welche über Separatoren oder durch Abstände elektrisch voneinander isoliert sind. Realisiert wurden 2-, 3- oder 4- beziehungsweise Mehr-Elektrodensysteme. Bevorzugt sind 2- und 3-Elektrodensysteme. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuse vorhanden, welches mindestens eine Öffnung aufweist, durch welche das zu detektierende Gas in den Sensor gelangt. Eine andere Ausführungsform ist der Aufdruck auf eine Platine oder auf flexible Materialien wie beispielsweise Stoffe.Of the electrochemical gas sensor contains at least 2 electrodes, which in electrical contact with the ionic liquid and what about separators or by distances are electrically isolated from each other. Were realized 2-, 3- or 4- or multi-electrode systems. Preferred are 2- and 3-electrode systems. In a preferred embodiment, a housing present, which has at least one opening, through which the gas to be detected enters the sensor. Another Embodiment is the imprint on a board or on flexible materials such as fabrics.
Die Elektroden bestehen 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.The Electrodes consist of a metal from the group 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 are the same or different.
Die organischen und/oder metallorganischen und/oder anorganischen Zusätze sind in 0,05 bis 15 Gewichts-% enthalten.The organic and / or organometallic and / or inorganic additives are contained in 0.05 to 15% by weight.
Die organischen Zusätze sind vorzugsweise in 0,05 bis 1,5 Gewichts-% enthalten. Die anorganischen Zusätze sind bevor zugt in 1 bis 12 Gewichts-% enthalten. Die metallorganischen Zusätze sind bevorzugt in 0,05 bis 1 Gewichts-% enthalten.The Organic additives are preferably in 0.05 to 1.5% by weight contain. The inorganic additives are given in before 1 to 12% by weight. The organometallic additives are preferably contained in 0.05 to 1% by weight.
Es konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass sich die Performance von Gassensoren durch die genannten Zuschläge zum Elektrolyten, d. h. zur ionischen Flüssigkeit deutlich steigern lässt und zwar sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit, als auch der Schnelligkeit, Selektivität und der Robustheit der Sensoren.It could be successfully proven that the performance of gas sensors by said additions to the electrolyte, d. H. to increase the ionic liquid significantly both in terms of sensitivity and speed, Selectivity and the robustness of the sensors.
Die ionische Flüssigkeit enthält mindestens ein Kation, welches ausgewählt ist aus der Gruppe von Imidazolium, Pyridinium, Guanodinium, 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, unsubstituted or with at least one Aryl and / or C1 to C4 alkyl group substituted, which itself unsubstituted or substituted with halogens, C1 to C4 alkyl groups, Hydroxyl or amino groups. Preferably, the ionic liquid at least imidazolium or pyridinium cations, unsubstituted or having at least one C1 to C4 alkyl group substituted.
Hinsichtlich der Anionen enthält die ionische Flüssigkeit mindestens ein Anion aus der Gruppe der Halogenide, d. h. Chlorid, Iodid, Bromid oder Fluorid; Nitrate, Nitrite, Tetrafluorborate, Hexafluorphosphate, Polyfluoralkansulfonate, Bis(trifluormethylsulfonyl)imide, Alkylsulfate, Alkansulfonate, Acetate und der Anionen von Fluoralkansäuren.With regard to the anions, the ionic liquid contains at least one anion from the group of halides, ie chloride, iodide, bromide or fluoride; Nitrates, nitrites, tetrafluoroborates, hexafluorophosphates, polyfluoroalkanesulfonates, bis (trifluoromethylsulfonyl) imides, alkyl sulfates, alkanesulfonates, acetates and the anions of Fluoroalkane acids.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Anion aus der Gruppe der C1-C6-Alkylsulfate und C1-C6-Alkansulfonate ausgewählt. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn die ionische Flüssigkeit mindestens ein Anion aus der Gruppe Methyl-, Ethyl-, Butylsulfat und Methan-, Ethan-, Butansulfonat enthält.Preferably is the at least one anion from the group of C1-C6-alkyl sulfates and C1-C6 alkanesulfonates. In this context it is particularly preferred if the ionic liquid at least one anion from the group of methyl, ethyl, butyl sulfate and methane, ethane, butanesulfonate.
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. Die Hydrophilie des Elektrolyten hat zusätzlich einen entscheidenden Einfluss auf die Dreiphasengrenze an der Messelektrode (ME).The The present invention also includes mixtures of various ionic Liquids. A mixture of different ionic liquids Can be used to different polarities in the electrolyte. That can help certain additives to solve, but also be helpful to the water absorption to control the electrolyte. The hydrophilicity of the electrolyte has In addition, a decisive influence on the three-phase boundary at the measuring electrode (ME).
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 anorganischen 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 are also mixtures of different additives, d. H. Mixtures of, for example, organic and inorganic additives. about Mixtures of various additives could cause cross-sensitivity patterns the sensors are adapted to specific needs.
Der elektrochemische Gassensor wird zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe der sauren, basischen, neutralen, oxidierenden oder reduzierenden Gase und der Halogengase und -dämpfe sowie der hydriden Gase verwendet. Bevorzugt ist die Verwendung zur 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.The electrochemical gas sensor is used for the detection / measurement of gases from the group of acidic, basic, neutral, oxidizing or reducing gases and the halogen gases and vapors as well as the hydride gases. Preference is given to the use for the 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 .
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 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 es, wenn die organischen Zusätze ausgewählt sind 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. It is particularly preferred if the organic additives are selected from the Group of imidazole or pyrimidine, unsubstituted or substituted with at least one C1 to C4 alkyl group.
Ein elektrochemischer Gassensor, bei dem die ionische Flüssigkeit organische Zusätze enthält, wird vorzugsweise zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S, H2, HCl, HCN und der hydriden Gase verwendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S, wobei 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. In einer höchst bevorzugten Ausführungsform findet der elektrochemische Gassensor Verwendung zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von NH3, SO2, H2S, wobei die ionische Flüssigkeit organischen Zusätze enthält, welche ausgewählt sind aus der Gruppe von Imidazol oder Pyrimidin, unsubstituiert oder substituiert mit mindestens einer C1- bis C4-Alkyl-Gruppe.An electrochemical gas sensor in which the ionic liquid contains organic additives is preferably used for the detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S, H 2 , HCl, HCN and the hydride gases. Particularly preferred is the use for the detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S, wherein the ionic liquid unsubstituted or substituted organic additives from the group of imidazole, pyridine, pyrrole, pyrazole, pyrimidine, guanine having at least one C1 to C4 alkyl group; Uric acid, benzoic acid and porphyrins and derivatives thereof. In a highly preferred embodiment, the electrochemical gas sensor is used for the detection / measurement of gases from the group of NH 3 , SO 2 , H 2 S, wherein the ionic liquid contains organic additives which are selected from the group of imidazole or pyrimidine, unsubstituted or substituted with at least one C1 to C4 alkyl group.
Die Zugabe von 0,1 bis 15% organischer Basen wie zum Beispiel Imidazol-, Pyridin oder Guanin-Derivaten verdoppelt nahezu die Empfindlichkeit der Sensoren auf saure Gase wie z. B. Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Auch laufen die Sensoren deutlich stabiler bei der Beaufschlagung mit diesen Gasen. Dieses ist vor allem vor dem Hintergrund erstaunlich, dass alle marktüblichen Sensoren auf diese Gase saure Elektrolyte wie z. B. Schwefelsäure verwenden. 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 Addition of 0.1 to 15% organic bases such as imidazole, Pyridine or guanine derivatives almost doubles the sensitivity the sensors on acid gases such. As hydrogen sulfide and sulfur dioxide. Also, the sensors run much more stable during the application with these gases. This is especially amazing against the background that all commercially available sensors on these gases acidic electrolytes such as As sulfuric acid use. The effect of the surcharges seems to rest on two principles. For one thing, you can have a clear one Shift of the reference potential with respect to the electrolytes Watch without surcharges, which is likely to stabilize the signal leads. On the other hand, the basic system seems act as a buffer and prevent the acidic gases in the electrolyte and thus, about a change the pH, in turn, a shift of the reference potential to generate.
Die
Lösungen fungieren als Leiter zweiter Ordnung in Gassensoren
im klassischen Sinne einer Clark-Zelle (siehe
Die organischen Zuschläge werden den ionischen Flüssigkeiten in Form einer wässrigen Lösung zugesetzt oder mit dieser zusammengeschmolzen. Die Art der Zugabe hängt von der Wasserlöslichkeit des Zuschlages, sowie von der Hydrophilie der ionischen Flüssigkeit ab.The Organic supplements are the ionic liquids added in the form of an aqueous solution or melted together with this. The type of addition depends from the water solubility of the aggregate, as well as from the Hydrophilicity of the ionic liquid.
Vergleicht
man die Wirkung von Zusätzen auf die Potentiale, die zwischen
der Mess- und der Bezugselektrode der Gassensoren gemessen werden,
mit der Wirkung auf die Sensorperformance, so ergeben sich Unterschiede
in Abhängigkeit zum betrachteten Zielgas. Als Beispiel
ist hier eine Sensorzelle gewählt, die die Besonderheit
hat sowohl auf Schwefeldioxid als auch auf Chlor zu reagieren (Tabelle
1). Tabelle 1
Bei
der Reaktion auf SO2 fällt auf,
dass der Zusatz von Imidazol und Harnsäure zu einer Negativierung des
Sensorpotentials zwischen der Mess- und der Bezugselektrode des
Sensors führen. Die Höhe des Referenzpotentials
scheint nicht für die Erhöhung der SO2-Sensorempfindlichkeit
verantwortlich zu sein. In beiden Fällen führt
die Zugabe allerdings zu einer Stabilisierung des Sensorsignals
(siehe –
Interessant
ist auch die Beobachtung der Sensoren über einen längeren
Zeitraum. Beispielsweise sind die Sensoren mit Imidazol als Zuschlag
schon während der Reifungszeit der Sensoren in den ersten
zwei Wochen deutlich empfindlicher als die Vergleichssensoren ohne
Zuschlag. Dieses Verhalten bleibt bis zum Ende des Beobachtungszeitraumes
erhalten (
Die metallorganischen Zusätze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der metallorganischen Porphyrine und deren Derivaten, wobei die metallorganischen Porphyrine vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe der Porphyrine mit mindestens einem meso- oder β-Alkyl- oder Arylsubstituenten und deren Derivaten. Ebenso ist es bevorzugt, dass die metallorganischen Porphyrinderivate aus der Gruppe der Phthalocyanine mit Mn2+, Cu2+, Fe2+/3+ oder Pb2+ als Metallkation ausgewählt sind.The organometallic additives are preferably selected from the group of organometallic porphyrins and their derivatives, wherein the organometallic porphyrins are preferably selected from the group of porphyrins having at least one meso or β-alkyl or aryl substituent and derivatives thereof. It is also preferred that the organometallic porphyrin derivatives are selected from the group of phthalocyanines having Mn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ / 3+ or Pb 2+ as metal cation.
Ein elektrochemischer Gassensor, bei dem die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze enthält, wird vorzugsweise zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von CO, O2, NO, NO2 und H2 verwendet. Insbesondere ist die Verwendung zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von CO, O2, NO, NO2 und H2 bevorzugt, wobei die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze aus der Gruppe der metallorganischen Porphyrine und deren Derivaten enthält.An electrochemical gas sensor in which the ionic liquid contains organometallic additives is preferably used for the detection / measurement of gases from the group of CO, O 2 , NO, NO 2 and H 2 . In particular, the use for the detection / measurement of gases from the group of CO, O 2 , NO, NO 2 and H 2 is preferred, wherein the ionic liquid contains organometallic additives from the group of organometallic porphyrins and their derivatives.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des elektrochemischen Gassensors, bei dem die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze enthält, wird dieser zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von CO, NO, NO2 und H2 verwendet, wobei die ionische Flüssigkeit metallorganische Zusätze aus der Gruppe der Phthalocyanine mit Mn2+, Cu2+, Fe2+/3+ oder Pb2+ als Metallkation enthält.In a particularly preferred embodiment of the electrochemical gas sensor in which the ionic liquid contains organometallic additives, this is used for the detection / measurement of gases from the group of CO, NO, NO 2 and H 2 , wherein the ionic liquid organometallic additives from the group containing phthalocyanines with Mn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ / 3+ or Pb 2+ as metal cation.
Mit
der Zugabe von Metall-Porphyrin-Derivaten lässt sich die
Selektivität der Sensoren auf bestimmte Gase wie z. B. Kohlenmonoxid
drastisch erhöhen. Bislang war dieser Effekt nur bei Halbleitergassensoren
bekannt. Das Deutsche Patent
Bei dem vorliegenden Fall ist die Erhöhung der Sensitivität der Sensoren nicht mit einer Erhöhung der Leitfähigkeit zu erklären, da es sich um Graphit- bzw. Edelmetallelektroden handelt und nicht um oxidische Halbleiter.In the present case, the increase in the sensitivity of the sensors is not with an increase in the Conductivity to explain because it is graphite or precious metal electrodes and not to oxidic semiconductors.
Eine bekannte Problemstellung im Feld ist beispielsweise die starke Querempfindlichkeit von Sensoren mit Platinelektroden auf CO. Da auch Wasserstoffsensoren mit Platinelektroden betrieben werden ist es in der klassischen Sensortechnik de facto nicht möglich Wasserstoff neben Kohlenmonoxid zu messen. Der Einsatz von Metall-Porphorinen kann helfen, die Selektivität eines Sensors dadurch zu erhöhen, dass die spezifische Löslichkeit von Gasen in ionischen Flüssigkeiten erhöht wird.A well-known problem in the field, for example, the strong cross-sensitivity from sensors with platinum electrodes to CO. As well as hydrogen sensors operated with platinum electrodes, it is in the classical Sensor technology de facto not possible Hydrogen next to To measure carbon monoxide. The use of metal porphorines can help to increase the selectivity of a sensor by that the specific solubility of gases in ionic Liquids is increased.
Die Lösungen, d. h. die ionischen Flüssigkeiten, welche metallorganische Zusätze enthalten, fungieren als Leiter zweiter Ordnung in Gassensoren im klassischen Sinne einer Clark-Zelle, wie bereits oben erläutert, 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 metallorganischen 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 containing organometallic additives act as conductors second order in gas sensors in the classical sense of a Clark cell, as already explained above, 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 organometallic additives can be ionic Liquids in the form of an aqueous solution be added or melted together with them or in to be suspended. The type of addition depends on the water solubility of the aggregate, of the hydrophilicity the ionic liquid and the expected secondary reaction from.
Hinsichtlich des elektrochemischen Gassensors, bei dem die ionische Flüssigkeit anorganischen Zusätze enthält, sind diese vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Alkalihalogenide und Ammoniumhalogenide, welche unsubstituiert oder mit C1- bis C4-Alkyl-Gruppen substituiert sind und der Übergangsmetallsalze und Bleisalze. Die Übergangsmetallsalze beziehungsweise Bleisalze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Salze von Mn2+, Mn3+, Cu2+, Ag+, Cr3+, Cr6+ Fe2+, Fe3+ und Pb2+. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die anorganischen Zusätze ausgewählt sind aus der Gruppe von Lithiumbromid, Lithiumiodid, Ammoniumiodid, Tetramethylammoniumiodid, Tetraethylammoniumiodid, Tetrapropylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumbromid, Mangan(II)chlorid, Mangan(II)sulfat und Mangan(II)nitrat, Chrom(III)chlorid, Alkalichromaten, Eisen(II)chlorid, Eisen(III)chlorid und Blei(II)nitrat.With respect to the electrochemical gas sensor in which the ionic liquid contains inorganic additives, these are preferably selected from the group of alkali halides and ammonium halides which are unsubstituted or substituted with C1 to C4 alkyl groups and the transition metal salts and lead salts. The transition metal salts or lead salts are preferably selected from the group of the salts of Mn 2+ , Mn 3+ , Cu 2+ , Ag + , Cr 3+ , Cr 6+ Fe 2+ , Fe 3+ and Pb 2+ . In particular, it is preferred that the inorganic additives are selected 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 and manganese (II) nitrate, chromium (III) chloride, alkali chromates, iron (II) chloride, iron (III) chloride and lead (II) nitrate.
Ein elektrochemischer Gassensor, bei welchem die ionische Flüssigkeit anorganische Zusätze enthält, wird vorzugsweise zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von F2, Cl2, Br2, I2, O3, ClO2, NH3, H2, HCl, HCN und der hydriden Gase verwendet.An electrochemical gas sensor in which the ionic liquid contains inorganic additives is preferably used to detect / measure 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 used.
Vorzugsweise wird dieser Sensor zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von CL2, Br2, O3, ClO2 und NH3 verwendet, wobei 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+, Cu2+, Ag+, Cr3+, Cr6+, Fe2+, Fe3+ und Pb2+ enthält.Preferably, this sensor is used for the detection / measurement of gases from the group of CL 2 , Br 2 , O 3 , ClO 2 and NH 3 , wherein the ionic liquid inorganic additives from the group of alkali halides and ammonium halides, which is unsubstituted or with C1- to C 4 alkyl groups and the transition metal salts and lead salts, preferably selected from the group of salts of Mn 2+ , Mn 3+ , Cu 2+ , Ag + , Cr 3+ , Cr 6+ , Fe 2+ , Fe Contains 3+ and Pb 2+ .
Besonders bevorzugt ist die Verwendung zur Detektion/Messung von Gasen aus der Gruppe von Cl2, Br2, O3, ClO2 und NH3, wobei die ionische Flüssigkeit anorganische Zusätze aus der Gruppe von Lithiumbromid, Lithiumiodid, Tetrabutylammoniumiodid, Tetrabutylammoniumbromid, Mangan(II)chlorid, Mangan(II)sulfat und Mangan(II)nitrat, Chrom(III)chlorid, Alkalichromaten, Eisen(II)chlorid, Eisen(III)chlorid und Blei(II)nitrat enthält.Particularly preferred is the use for the detection / measurement of gases from the group of Cl 2 , Br 2 , O 3 , ClO 2 and NH 3 , wherein the ionic liquid inorganic additives from the group of lithium bromide, lithium iodide, tetrabutylammonium, tetrabutylammonium bromide, manganese ( II) chloride, manganese (II) sulfate and 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. Höhere
Alkalihalogenide können Beispielsweise von Cl2-Gas
oxidiert werden. Dabei ist folgende Sensorreaktion denkbar:
Teilreaktion
Analyt mit Zuschlag: Cl2 + 2Br– → Br2 + 2Cl–
Sensorreaktion:
Br2 + 2e– → 2Br– 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. Higher alkali halides can be oxidized, for example, by Cl 2 gas. The following sensor reaction is conceivable:
Partial analyte reaction with addition: Cl 2 + 2Br - → Br 2 + 2Cl -
Sensor reaction: Br 2 + 2e - → 2Br -
In diesem Fall handelt es sich um sekundäre Reaktionen der Salze im Elektrolyten. Dieses sieht man daran, dass die Reaktionen auch statt finden, wenn kein aktiver Katalysator zur Umsetzung der Zielgase zur Verfügung steht, sondern nur eine Ableitung aus Kohlenstoff. Vergleichbares (Steigerung der Empfindlichkeit, hohe Selektivität) lässt sich auch am Beispiel von Ammoniak-Sensoren bei der Zugabe von Mangan- und Kupfersalzen beobachten. Übergangsmetalle könnten hingegen Komplexe (z. B.: Kupfer-Tetramin) mit dem Zielgas bilden und über die Potentialverschiebung im Sensor ein Signal erzeugen.In this case is a secondary reaction of Salts in the electrolyte. This can be seen from the fact that the reactions also take place when no active catalyst to implement the Target gases is available, but only one derivative made of carbon. Comparable (increase in sensitivity, high Selectivity) can also be exemplified by Observe ammonia sensors with the addition of manganese and copper salts. Transition metals On the other hand, complexes (eg: copper tetramine) with form the target gas and the potential shift in the Sensor generate a signal.
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.A major advantage of using inorganic additives is the selectivity of the sensor, as it is the Possibility to generate a specific detection reaction for the target gas. Thus, the combination of various additives can also generate cross-sensitivity patterns that would be inconceivable in classical sensor systems as well as in the use of pure ionic liquids.
Die Lösungen, d. h. die ionischen Flüssigkeiten mit anorganischen Zusätzen, fungieren als Leiter zweiter Ordnung in Gassensoren im klassischen Sinne einer Clark-Zelle, wie bereits oben erläutert, mit Edelmetallkatalysatoren bzw. Kohlenstoff als Mess- und Gegenelektrode als Zweielektrodensystem bzw. mit einer zusätzlichen Bezugselektrode im Dreielektrodenbetrieb bzw. mit weiteren zusätzlichen Elektroden, wenn man den Sensor mit einer Schutzelektrode oder weiteren Messelektroden ausstattet. Die anorganischen Zuschläge werden den ionischen Flüssigkeiten in Form einer wässrigen Lösung zugesetzt oder auch mit diesen zusammengeschmolzen. 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 with inorganic additives, act as second order conductors in gas sensors in the classic sense of a Clark cell, as already explained above, with noble metal catalysts or carbon as measuring and counter electrode as a two-electrode system or with a additional reference electrode in three-electrode mode or with additional additional electrodes when looking at the sensor equipped with a protective electrode or other measuring electrodes. The inorganic additives become the ionic liquids added in the form of an aqueous solution or also melted together with these. The type of addition depends from the water solubility of the aggregate, from the hydrophilicity of ionic liquid and the expected secondary reaction from.
Im
Fall der Zugabe von anorganischen Additiven zum Grundelektrolyten
des Cl2-Sensors, zeigt sich, dass alle Senso ren
mit Zuschlägen (siehe
Auch
kann eine bessere Konsistenz der Sensoren untereinander beobachtet
werden. Vergleicht man die Empfindlichkeitsverteilungen von Sensoren
mit und ohne anorganische Zuschläge ist zu beobachten,
dass Chlor Sensoren mit LiBr eine deutlich kleinere Streuung der
Empfindlichkeiten aufweisen. Das zeigt sich eindrucksvoll, wenn
man die Mittelwerte der Standardabweichungen beider Sensortypen
gegeneinander aufträgt (siehe
Betrachtet man die Potentialdifferenzen, die wiederum zwischen der Mess- und der Bezugselektrode gemessen wurden, ist weder eine Korrelation zu den Sensorempfindlichkeiten noch zu der Stabilität der Sensoren festzustellen.considered one the potential differences, which in turn between the measuring and the reference electrode is measured is neither a correlation to the sensor sensitivities still to the stability of the Detect sensors.
Ersetzt man jedoch die Gold/Kohlenstoff-Elektrode gegen eine Elektrode aus reinem Kohlenstoff, stellt man fest, dass die Sensoren immer noch funktionieren, d. h. Chlorgas detektieren. Dieses ist ein Hinweis darauf, dass es sich bei der Reaktion auf Chlor auch um eine Sekundärreaktion des Elektrolyten mit dem Gas handelt und nicht alleine um eine Reaktion mit dem Katalysator der Messelektrode. Ins besondere deshalb, da eine Zugabe von LiCl zu keinem signifikanten Messsignal führt. Es bedarf also spezifischer anorganischer Zusätze, um die gewünschten Messeffekte zu erzielen.replaces However, the gold / carbon electrode against an electrode pure carbon, one finds that the sensors are still work, d. H. Detecting chlorine gas. This is a reference that the reaction to chlorine is also a secondary reaction of the electrolyte with the gas and not just a reaction with the catalyst of the measuring electrode. In particular, because a Addition of LiCl leads to no significant measurement signal. It therefore requires specific inorganic additives to the to achieve the desired measuring effects.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
- 11
- Gassensorgas sensor
- 22
- Sensorgehäusesensor housing
- 33
- Messelektrode unter Öffnung für Gaseinlassmeasuring electrode under opening for gas inlet
- 44
- Separator auf Glasfaser- oder Silikatbasis mit Elektrolyt getränktseparator 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 umfasst eine Messelektrode (ME) aus einem Gemisch von Gold
(Au) und Kohlenstoff (C) (30:70) und eine Gegenelektrode (GE) =
Bezugselektrode (BE) aus Platin (Pt) (siehe
Die Begasung erfolgte mit 4 ppm Cl2 in Luft bei einem Fluss von 200 l/h.The fumigation was carried out with 4 ppm Cl 2 in air at a flow of 200 l / h.
Das
Ergebnis ist graphisch in
Beispiel 2 – SO2SensorExample 2 - SO 2 sensor
Der
Sensor ist analog zu Beispiel 1 aufgebaut. Der Elektrolyt EMIM MeSO3 enthält abweichend vom Beispiel
1 1% Imidazol als Zuschlag (statt Harnsäure). Der Sensor
funktioniert ebenfalls sehr zuverlässig, wenn anstatt der
ME aus Au/C, eine ME aus einer Au/Pd Legierung bzw. aus Pt verwendet
wird. Die Begasung erfolgte mit 10 ppm SO2 Gas
in Luft bei einem Fluss von 200 l/h. Das Ergebnis ist graphisch
in
Beispiel 3 – Cl2SensorExample 3 - Cl 2 sensor
Der
Sensor ist analog zu Beispiel 1 aufgebaut. Der Elektrolyt EMIM MeSO3 enthält abweichend zu Beispiel
1 10% LiBr. Dieses wurde kristallin in die auf 100°C erhitzte
ionische Flüssigkeit eingerührt bis man eine klare
Lösung erhielt. 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 4
ppm Cl2 in Luft bei einem Fluss von 200
l/h. Die Ergebnisse sind graphisch in den
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