飞镖化学传感器利用燃料电池原理工作。
燃料电池是一种化学电池,燃料和氧化剂是持续供应的,因此原则上它是永恒的。我们应该首先解释什么是“电池”(严格来说,是电化学电池)。许多化学反应包括电子从一种反应物转移到另一种反应。一个简单的例子是锌与二氧化锰的反应。如果一起加热,可发生以下反应:
Zn+MnO2=ZnO+MnO
在非化学术语中,锌原子,即“燃料”,将每个锰原子(氧化剂)从一个氧原子中剥离出来。这背后的原因变化,是每个锌原子的氧化(失去两个电子)和锰的还原(获得两个电子原子如果不是将这两种成分混合在一起,而是将它们分开,迫使电子移动我们有熟悉的AA、AAA、PP3电池的基础。完成电气电路中,锌和二氧化锰的“电极”还需要一个连接的液体通道,即上述的“电解质”例如通常是碱(因此电池被称为碱性锰)。
熟悉的电池就到此为止。传感器中发生了什么?这种情况下的燃料是乙醇,通常被称为就像酒精一样,但它只是其中之一。和上面例子中的锌一样,乙醇提供电子。首先,我们需要解释反应需要催化剂,严格来说,是电催化剂。最有效的是铂。它被涂覆在多孔塑料片上,该塑料片含有导电液体电解质强酸。铂涂层形成工作电极。乙醇的配方为C2H5OH。看起来像这样。
互联网上有很多关于传感器上乙醇氧化机理的报道,但都是错误的,因为他们不理解化学反应和电化学反应之间的区别。我给出的解释这是我认为最符合证据的一个。
我们知道每个乙醇分子在直接反应中提供一个电子。在分子是O-H,所以这一定是最有可能断裂成氢原子的分子,而剩下的C2H5O片段则附着在铂的表面上。然后氢原子将其电子释放到导电铂表面。这一切发生得很快。这留下了一个正氢离子,一个质子电解质中的水分子形成氢离子H3O+对于剩余的C2H5O片段,我们只能猜测它的命运。据推测,它可能被缓慢氧化,可能主要或完全氧化为二氧化碳和水。这样做可能会释放更多的电子,但速度太慢,无法参与构成传感器的主要反应回答所以现在我们已经形成了一个自由电子和一个酸性H3O+我们需要处理这些问题。要做到这一点,我们需要另一个电极,也是铂,涂覆在塑料片的背面。这形成了第二个反电极,它需要从空气中吸取氧气,即“氧化剂”。它有两个功能。它通过电线接收电子并与水和氧反应,形成羟基离子OH-最后,将氢氧化钾和氢氧根离子在电解质中一起反应形成水。
那么这个电化学反应是如何导致酒精测量的呢?在呼吸分析仪中,我们只需计算乙醇分子在固定体积的空气中释放的电子。在透皮传感器中,我们计算电子到达的速度。这些运算为我们提供了我们比较的它们的数量的度量通过校准,即来自具有已知酒精浓度的样品的结果,以获得期望值。
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