離子液體在電流型電化學(xué)氣體傳感器中的應(yīng)用

李廣偉，魯俊民，秦東振，詹自力，郭雪原

（1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191；3河南漢威電子股份有限公司，河南 鄭州 450001）

電化學(xué)氣體傳感器具有低的功耗、高的靈敏度和選擇性，信號(hào)與氣體濃度間具有良好的線性關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)，因此是氣體傳感器中非常重要的可用于定量檢測(cè)的高端品種，被廣泛應(yīng)用于石油、煤炭、化工、航空航天、環(huán)境保護(hù)、食品安全等眾多領(lǐng)域的在線檢測(cè)和監(jiān)控。電化學(xué)氣體傳感器技術(shù)主要被以英國(guó)City Technology、Alphasense，美國(guó)Honeywell和德國(guó) Draeger等公司為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。隨著國(guó)家新型電子元器件及材料專項(xiàng)《電化學(xué)氣體敏感元件和傳感器產(chǎn)業(yè)化》項(xiàng)目的實(shí)施，河南漢威電子電化學(xué)氣體傳感器生產(chǎn)線開始批量生產(chǎn)，生產(chǎn)出包括CO[1]、乙醇?xì)怏w[2]等17種氣體25個(gè)型號(hào)的電化學(xué)傳感器，年銷售達(dá)到了150萬(wàn)只，標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)水平已經(jīng)進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。

然而以水溶液為電解液的電化學(xué)氣體傳感器受到環(huán)境溫度和濕度的影響，其應(yīng)用范圍在環(huán)境相對(duì)濕度 15%～90%RH之間。低濕情況下隨電解液揮發(fā)而干燥，造成傳感器失效。長(zhǎng)期處于高于90%RH環(huán)境中，有著酸性電解質(zhì)的電解液吸收水分（如H2SO4/H2O體系），造成傳感器破裂漏液。嚴(yán)重影響了電化學(xué)氣體傳感器的應(yīng)用范圍，使其在線檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)不能充分體現(xiàn)。從返修的電化學(xué)傳感器來(lái)看，主要問(wèn)題是用戶使用環(huán)境不合要求造成的，同時(shí)有部分用戶要求長(zhǎng)期于高溫高濕環(huán)境中在線檢測(cè)監(jiān)控氣體濃度。這就為目前的電化學(xué)傳感器提出新的要求，也是電化學(xué)傳感器技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)力。

離子液體作為一類非水導(dǎo)電介質(zhì)作為電解液被廣泛應(yīng)用于電鍍、電池和電容器等領(lǐng)域[3-6]以及分析化學(xué)[7]和生物傳感器領(lǐng)域[8-9]。尤其是其不揮發(fā)性和憎水性，有望克服傳統(tǒng)水溶液電解液的電化學(xué)氣體傳感器干枯和漏液的缺點(diǎn)，使電化學(xué)氣體傳感器能應(yīng)用于高溫和高濕等較為極端的環(huán)境，拓寬電化學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍。同時(shí)離子液體具有不揮發(fā)性和高黏度，不需要大量的電解液和電解液支撐材料，也為電化學(xué)氣體傳感器的微型化和傳感器陣列化提供了機(jī)遇。

本文首先簡(jiǎn)要討論了離子液體的電化學(xué)性質(zhì)，然后綜述了離子液體在電化學(xué)氣體傳感器中應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并按照氣體的種類，對(duì)O2、NH3、NO2、SO2、有機(jī)氣體和爆炸物等幾種傳感器分別進(jìn)行討論，并提出了今后研究的重點(diǎn)方向。

1 離子液體的電化學(xué)性質(zhì)

離子液體具有許多常用電解液所不具備的獨(dú)特性質(zhì)，如非常低的蒸氣壓、良好的熱穩(wěn)定性、好的溶解能力和導(dǎo)電能力、寬的電化學(xué)窗口。而且通過(guò)改變陽(yáng)離子和陰離子的匹配可實(shí)現(xiàn)調(diào)整這些性質(zhì)，這些性質(zhì)有利于電化學(xué)傳感器性能提高。人們甚至利用離子液體高黏度的性質(zhì)設(shè)計(jì)了無(wú)膜的氣體傳感器。其中離子液體的導(dǎo)電能力和電化學(xué)窗口對(duì)電化學(xué)傳感器而言是非常重要的性質(zhì)，在此進(jìn)行較為詳細(xì)的討論。

離子液體的導(dǎo)電性是其傳感應(yīng)用的基礎(chǔ)。離子液體完全由陰陽(yáng)離子組成，故有可能被誤認(rèn)為有非常高的離子導(dǎo)電能力，然而由于陰陽(yáng)離子間強(qiáng)的相互作用和低的離子遷移速率，其有效載流子的數(shù)量少和移動(dòng)慢，其導(dǎo)電能力與水溶液電解液相比較要小得多[10]。離子液體的室溫離子電導(dǎo)率一般在10?3S/cm左右，適合作為傳感器的電解液。但與有機(jī)溶劑電解液比較，其導(dǎo)電能力大得多。影響室溫離子液體導(dǎo)電性的因素主要有黏度、密度、粒子大小、離解度等[11]。通常電導(dǎo)率受其黏度影響很大，二者成反比關(guān)系，即黏度越大，電導(dǎo)率越小，因此可以通過(guò)降低黏度來(lái)提高離子液體的電導(dǎo)率。離子液體中加入共溶劑能顯著降低黏度，常用溶劑乙腈、乙醇、二氯甲烷、苯和水與離子液體的相溶性均有報(bào)道，20%的共溶劑加入使[C4mim][BF4]的黏度降低50%[10]。因?yàn)轲ざ冉档陀欣趥髻|(zhì)過(guò)程，黏度和電導(dǎo)率的增加均有利于氣體傳感器性能改善，這也為離子液體電化學(xué)氣體傳感器研究提供了方向。

電化學(xué)窗口對(duì)氣體傳感器而言也是非常重要的性質(zhì)。電化學(xué)窗口就是離子液體開始發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)電位間的差值，檢測(cè)目標(biāo)氣體的電位必須介于0和這個(gè)電位之間，所以窗口越寬越好。離子液體的電化學(xué)窗口主要由陽(yáng)離子的還原極限電位和陰離子的氧化極限電位所決定。通常離子液體的電化學(xué)窗口在2 V以上。[NTf2]?基離子液體具有寬的電化學(xué)窗口，使其成為潛在的傳感器用優(yōu)選電解質(zhì)，而[PF6]?能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成HF[12]，鹵鋁酸鹽離子液體不穩(wěn)定，二者不適宜用于傳感器。值得注意的是，雜質(zhì)會(huì)顯著減小電化學(xué)窗口，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的水后，[C4mim][BF4]電化學(xué)窗口由4.10 V下降至1.95 V[13]。同時(shí)也應(yīng)該注意到氧化還原極限電位與電極材料有關(guān)，對(duì)于不同氣體種類的傳感器應(yīng)該選擇其應(yīng)用電極材料研究離子液體的電化學(xué)性質(zhì)。

2 離子液體在電流型氣體傳感器中的應(yīng)用

恒電位電解型即電流型氣體傳感器是最重要的一類電化學(xué)氣體傳感器。由于其常溫工作，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。電流型氣體傳感器的發(fā)展可以追溯到1953年的Clark電極用于溶解氧的檢測(cè)[14]。隨著在空氣中穩(wěn)定的非鹵鋁酸鹽離子液體的研制成功，基于離子液體的電化學(xué)傳感器成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，有大量文獻(xiàn)報(bào)道[15-17]。而對(duì)電化學(xué)氣體傳感器研究相對(duì)較晚，1991年Carter等[18]最早報(bào)道了氧氣在[C2mim]Cl-AlCl3離子液體中的電化學(xué)行為，氧氣經(jīng)過(guò)一電子還原生成超氧離子自由基()。2001年 AINashef 等[19]在[C4mim][PF6]中電化學(xué)還原生成了穩(wěn)定的這就使利用電流型電化學(xué)傳感器探測(cè)氧氣成為可能。隨后氧氣在離子液體中的電化學(xué)行為和電化學(xué)氧氣傳感器成為最活躍的研究領(lǐng)域。

我國(guó)在離子液體的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面幾乎與國(guó)際同步[20]，同樣在離子液體電化學(xué)氣體傳感器方面的研究也較活躍。蔡琪等[21]早在 2001年就報(bào)道了離子液體 SO2電化學(xué)傳感器，不僅研究了SO2的電催化氧化還原反應(yīng)，而且設(shè)計(jì)出傳感器結(jié)構(gòu)，該傳感器檢測(cè)SO2的極限濃度為50 μL/L。而在同一年 AlNashef等[19]只是報(bào)道了氧氣在[C4mim][PF6]離子液體中還原生成了穩(wěn)定的超氧離子自由基?？梢娢覈?guó)在該領(lǐng)域也是最早開始研究的國(guó)家之一。

2.1 在O2傳感器中的應(yīng)用

O2經(jīng)一電子電化學(xué)還原生成 O2??，O2??是超強(qiáng)的親核試劑，反應(yīng)性很強(qiáng)，在水溶液中壽命短，存活時(shí)間不超過(guò)1 s，在非質(zhì)子溶劑中能穩(wěn)定存在較長(zhǎng)時(shí)間[22]。離子液體為電化學(xué)還原產(chǎn)生O2??的穩(wěn)定存在提供了一個(gè)理想的非質(zhì)子溶劑環(huán)境。也使離子液體 O2傳感器最有可能成為能實(shí)際應(yīng)用的電化學(xué)氣體傳感器。

在離子液體[C4mpyrr][NTf2]中[23]，以金微圓盤工作電極的兩電極離子液體電流型氣體傳感器裝置，循環(huán)伏安法研究O2電化學(xué)行為，觀測(cè)到一個(gè)還原峰出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)O2經(jīng)一電子電化學(xué)還原生成O2??，還原峰電流與氧氣的濃度成良好線性關(guān)系。這為電流型電化學(xué)氣體傳感器定量測(cè)定 O2濃度提供了依據(jù)。

O2和 O2??在離子液體中的擴(kuò)散系數(shù)也是 O2電化學(xué)還原中研究較多的領(lǐng)域。在離子液體中，高的黏度造成物質(zhì)傳遞過(guò)程較慢，擴(kuò)散系數(shù)較小。O2??的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于O2的擴(kuò)散系數(shù)。離子液體種類對(duì)O2的擴(kuò)散系數(shù)影響不大，而隨著離子液體的黏度增加，O2??的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)一步降低，在高黏度[N6222][NTf2]中，O2??的擴(kuò)散系數(shù)低至 10?12數(shù)量級(jí)。慢的擴(kuò)散造成氧氣傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，這也是離子液體電化學(xué)傳感器的不足。

反應(yīng)機(jī)理研究表明，離子液體中都存在一電子還原生成O2??的反應(yīng)歷程，如式（1）。

然而有些離子液體中不僅僅只是氧氣的電化學(xué)還原過(guò)程，還存在O2??與離子液體間的化學(xué)作用。在咪唑類離子液體中，O2??與咪唑陽(yáng)離子[Im]+經(jīng)配位形成離子對(duì)[24-25]，其反應(yīng)歷程如式（2）、式（3）。

在季磷鹽類離子液體中，由于其陽(yáng)離子[P14，666]+有較弱酸性，O2??奪取季磷鹽離子液體中的質(zhì)子生成氫過(guò)氧自由基[26-27]，反應(yīng)過(guò)程如式（4）～式（6）。

Buzzeo 等[28]隨后對(duì)CO2存在下超氧離子（O2??）在離子液體中的反應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。他們指出了在[C2mim][NTf2]反應(yīng)中最合適的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)機(jī)理如式（7）～式（10）。

Buzzeo 等[28]測(cè)定了 CO2、NH3、H2、NO2等多種氣體的電化學(xué)氧化還原行為，成為離子液體電化學(xué)氣體傳感器領(lǐng)域發(fā)表論文最多的課題組。牛津大學(xué)Compton小組的Huang等[29]采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體光刻技術(shù)在硅襯底上構(gòu)造微電極陣列，利用電極陣列提高離子液體氧氣傳感器的靈敏度，膜厚 6μm 的[P14，666][FAP]傳感器響應(yīng)時(shí)間只有 20s，為解決離子液體電化學(xué)傳感器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)這一問(wèn)題提供了例證，同時(shí)陣列的建立解決了水溶液電解液傳感器難以陣列化的難題，為構(gòu)建更加智能化的微型電子鼻等智能系統(tǒng)提供了方法。

Wang等[30]報(bào)道了將[C2mim][BF4]離子液體固定在多孔聚乙烯薄膜中，可用來(lái)測(cè)定0～100%范圍內(nèi)的氧氣，該傳感器有寬的探測(cè)范圍、高的靈敏度和非常好的信號(hào)重現(xiàn)性。Wang等[31]將離子液體與傳統(tǒng)的Clark型電化學(xué)傳感器相結(jié)合，利用鉑線網(wǎng)作為工作電極，離子液體[C4mpy][NTf2]、[C4mim][NTf2]、[N4441][NTf2]作為電解液，將工作電極緊靠聚四氟乙烯的氣體滲透膜構(gòu)成與傳統(tǒng)水溶液電解質(zhì)相同結(jié)構(gòu)的離子液體電化學(xué)傳感器，不但用循環(huán)伏安法測(cè)定了氧氣的還原電位和氧化還原反應(yīng)的機(jī)理，還在更接近真實(shí)使用條件下測(cè)量了元件性能。離子液體傳感器能探測(cè)到氧氣濃度的最低值達(dá)到了0.05%（體積分?jǐn)?shù)），遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水溶液為電解液的傳感器的探測(cè)限。同時(shí)該氧氣傳感器具有很好的選擇性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這些性能指標(biāo)的考察為離子液體傳感器的應(yīng)用進(jìn)一步奠定了基礎(chǔ)。Xiong等[32]報(bào)道了含納米金的超薄離子液體膜的O2傳感器，該傳感器不僅有高的靈敏度，還利用超薄離子液體使響應(yīng)時(shí)間提高到15 s，到達(dá)了水溶液O2傳感器的水平，很好地解決離子液體黏度大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的難題。

氧氣傳感器是離子液體傳感器中最早開始研究，也是研究的最深入的傳感器，對(duì)其機(jī)理的分析也比較成熟。離子液體電化學(xué)O2傳感器的線性范圍寬，穩(wěn)定性好，但是響應(yīng)時(shí)間慢[23]，這也是離子液體作為電解質(zhì)共同存在的問(wèn)題。所以，如何提高其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間是今后重要研究課題之一。

2.2 在NH3傳感器中的應(yīng)用

Compton 小組的Buzzeo等[33]2004年首次報(bào)道了 NH3在離子液體 [C2mim][NTf2]中的電化學(xué)行為，并提出了 NH3的氧化反應(yīng)的反應(yīng)歷程。2007年該小組的Ji、Banks等[34-35]進(jìn)一步研究了NH3在[C4mim][BF4]、 [C4mim][OTf]、[C2mim][NTf2]、[C4mim][NTf2]和[C4mim][PF6]五種室溫離子液體（RTILs）中直接氧化。在前四種離子液體研究中，循環(huán)伏安法（CV）分析 NH3通過(guò)陰離子（A–）的質(zhì)子化作用最初氧化成N2和H+，H+通過(guò)HA轉(zhuǎn)移到一個(gè)NH3分子上形成NH4+，機(jī)理如式（11）、式（12）。

而在[C4mim][PF6]中質(zhì)子化的陰離子 HA是在NH4+之后形成，機(jī)理如式（13）、式（14）。

在五種RTILs中，HA和NH4+在電極表面被還原，形成H2，機(jī)理如式（15）、式（16）。

在[C2mim][NTf2]、[C4mim][OTf]和[C4mim][BF4]中檢測(cè)限接近 50 μL/L，靈敏度大約 6×10?7A/(μL/L·L?1)（r2=0.999），檢測(cè)限比在碳酸丙烯酯中大10倍還多。

Murugappan等[36]采用三種（C/Pt/Au）絲網(wǎng)印刷電極在離子液體[C2mim][NTf2]中對(duì) NH3進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，在C絲網(wǎng)印刷電極上沒(méi)有明顯的響應(yīng)，而在 Pt和 Au電極上呈現(xiàn)明顯的峰，給出了NH3在 240～1360 μL/L范圍的氧化峰電流和 NH3濃度之間的線性關(guān)系，檢測(cè)限分別是 50 μL/L和185 μL/L。反應(yīng)機(jī)理與上述相同。

因此，在NH3的檢測(cè)應(yīng)用中，應(yīng)用循環(huán)伏安法得到的數(shù)據(jù)和圖譜能夠?qū)Ψ磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行比較合理的分析。在Pt和Au電極的對(duì)比中，Pt電極是較為理想的工作電極。然而，還存在很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如對(duì)NH3選擇性的優(yōu)劣，離子液體中殘余的水和其它干擾氣體對(duì)掃描信號(hào)的影響，離子液體黏度大對(duì)傳質(zhì)速度的影響、對(duì)靈敏度的影響等。

2.3 在NO2傳感器中的應(yīng)用

NO2是一種毒性氣體，污染環(huán)境并損害人的呼吸系統(tǒng)，主要來(lái)自汽車尾氣和鍋爐等燃燒過(guò)程，對(duì)其監(jiān)控是十分重要的。NO2電化學(xué)傳感器通?；贜O2的電化學(xué)氧化或還原。Nádherná等[37]2011年報(bào)道了離子液體聚合物電解液在平面電流型固態(tài)NO2氣體傳感器上成功測(cè)試，使用的電解液包括[C4mim][PF6]和聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯（PEGMEMA），所占比例為 57∶43（ 摩 爾 分?jǐn)?shù)），在20 ℃電導(dǎo)率是1.6×10?4S/cm，電化學(xué)窗口寬（＞4 V），熱穩(wěn)定性高（＞230℃）。在 0.3～1.1 μL/L的NO2濃度范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)，并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于反應(yīng)機(jī)理一般認(rèn)為按照方程式（17）進(jìn)行，而他們認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理會(huì)因?yàn)楹芏嘁蛩囟兊脧?fù)雜。

他們分析得出在Au電極表面機(jī)理如式（18）、式（19）。

也可能是式（20）、式（21）。

在兩種情況下，H2O在陽(yáng)極被氧化生成O2，總反應(yīng)方程可以寫成式（22）。

Nádherná等[38]又對(duì)包含聚合物基質(zhì)的離子液體電解液對(duì)平面電流型NO2氣體傳感器做了深入研究。研究了電解液的成分、電極表面積和NO2氣體的相對(duì)濕度對(duì)傳感器響應(yīng)的影響。包含離子液體的新的二元固態(tài)聚合物電解質(zhì)在具有多種幾何表面積的平面電流型傳感器中被用來(lái)測(cè)試空氣中各種不同相對(duì)濕度的NO2氣體，還做了不同聚合物電解質(zhì)和不同電極的測(cè)試，結(jié)果顯示不同電解質(zhì)得到的參數(shù)差別不大，對(duì)氣體相對(duì)濕度靈敏度較低?？偟膩?lái)說(shuō)，在室溫操作下，含有ILs的聚合物電解質(zhì)拓寬了固態(tài)電解質(zhì)在設(shè)計(jì)固態(tài)氣體傳感器的范圍。

因此，對(duì)NO2傳感器的研究發(fā)現(xiàn)，離子液體與有機(jī)大分子相結(jié)合，提高了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。線性響應(yīng)范圍小，靈敏度低，響應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)機(jī)理的研究是今后研究的重要方面。

2.4 在SO2傳感器中的應(yīng)用

SO2是大氣污染的主要成分之一，因此對(duì)其研究和監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)重要工作。Barrosse-Antle等[39]通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）在10 μm的Pt微電極上研究了SO2在不同 ILs中的還原機(jī)理。以[C4mim][NO3]為例，SO2在[C4mim][NO3]中的溶解度高達(dá) 3000(±420)mmol/L，擴(kuò)散系數(shù)為 4.8(±0.5)×10?10m2/s。在同一系統(tǒng)、不同溫度下，研究得到 SO2在[C4mim][NO3]中還原活化能近似 10(±2)kJ/mol。在高濃度的SO2里，觀測(cè)一個(gè)陰極波能確定SO2還原成SO2??，還原峰出現(xiàn)在－1.0 V處。在4 V/s的掃描速率下，在所有ILs中都出現(xiàn)兩個(gè)陽(yáng)極峰，而第三個(gè)陽(yáng)極峰只在[C4mim][NO3]中觀測(cè)到。從定性的角度，機(jī)理如式（23）～式（25）。

從研究現(xiàn)狀來(lái)看，SO2在[C4mim][NO3]中的溶解度高，擴(kuò)散相對(duì)較快，[C4mim][NO3]在 SO2的監(jiān)測(cè)和研究上具有很大的潛力。然而，離子液體在SO2傳感器中的應(yīng)用需要進(jìn)一步探索，反應(yīng)機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

2.5 在有機(jī)氣體傳感器中的應(yīng)用

隨著人們對(duì)環(huán)境的日益重視，環(huán)境中有機(jī)氣體的檢測(cè)必然成為研究的重要方面。離子液體應(yīng)用于電化學(xué)傳感器對(duì)有機(jī)氣體進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)有了很大的成果。

Lee等[40]使用自制的離子液體，采用鎳電極對(duì)乙醇?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，只有低分子量的ED600(MSLi)2能對(duì)乙醇?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)限為0.13%（體積比），響應(yīng)時(shí)間為336 s。反應(yīng)機(jī)理如式（26）～式（30）。

Dossi等[41]2011年報(bào)道了基于離子液體載于紙片上的電流型氣體傳感器：用摻雜鈷(Ⅱ)酞菁的碳墨將三個(gè)電極絲網(wǎng)印刷在浸透 [C4mim][NTF2]室溫離子液體（RTIL）的濾紙片上。RTIL與電極材料緊密的連接使得氣體分析物快速到達(dá)電極材料、RTIL、分析氣體三相交界點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。他們使用離子液體浸漬紙電化學(xué)檢測(cè)器（IL-PED）對(duì) 1-丁硫醇作了分析。結(jié)果顯示，得到了非常滿意的結(jié)果：檢測(cè)限為 0.5μmol/L；動(dòng)態(tài)范圍為 2～200μmol/L；相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998；重現(xiàn)性好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為±7%。

由此可見，離子液體電化學(xué)傳感器對(duì)有機(jī)氣體的檢測(cè)具有線性范圍寬、重現(xiàn)性好、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間與所用的離子液體有關(guān)。有機(jī)氣體種類繁多，對(duì)選擇性和抗干擾性的傳感器研究也是今后研究的重點(diǎn)。

2.6 在爆炸物傳感器中的應(yīng)用

對(duì)于藏匿爆炸物的探測(cè)對(duì)國(guó)家安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全無(wú)疑是非常重要的。因?yàn)楸ㄎ锏恼魵鈮旱?、種類繁多給檢測(cè)工作帶來(lái)了許多困難，各國(guó)科學(xué)家研究出了許多檢測(cè)方法，常用的方法有離子遷移譜、質(zhì)譜和氣相色譜等。這些方法設(shè)備體積龐大、昂貴而且分析耗時(shí)，電化學(xué)傳感器具有靈敏度高、線性好、能耗低、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，使其能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[42]。電化學(xué)傳感器檢測(cè)水中 TNT的極限值達(dá)到了 200 μg/L[43]，檢測(cè) DNT的極限濃度達(dá)到161ng/mL[44]。電流型傳感器檢測(cè)大氣中爆炸物遇到的主要問(wèn)題是爆炸物在水溶液中的溶解問(wèn)題，一個(gè)有效的方法是采用固態(tài)高分子聚合物替代水溶液電解液，這也正是離子液體作為電解液的優(yōu)勢(shì)。利用離子液體作為電解液檢測(cè)爆炸物是一項(xiàng)新的工作，文獻(xiàn)報(bào)道較少。Forzani等[45]利用離子液體[C4mim][BF4]薄層作為電解液，[C4mim][BF4]不僅提供了電化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，起到了選擇性濃縮爆炸物和形成發(fā)色還原產(chǎn)物便于比色法檢測(cè)的作用。[C4mim][BF4]的傳感器具有高的靈敏度、高的選擇性和低的極限。

3 展 望

離子液體給電流型電化學(xué)氣體傳感器的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，有望解決電化學(xué)氣體傳感器中長(zhǎng)期存在的一些問(wèn)題，也使電化學(xué)氣體傳感器研究重新活躍，尤其是自2010年以來(lái)文獻(xiàn)迅速增加，成為氣體傳感器的研究熱點(diǎn)。研究主要集中于目標(biāo)氣體在離子液體中的氧化還原的機(jī)理和反應(yīng)的歷程[18，25，46]，體系的反應(yīng)性和離子液體的穩(wěn)定性[18，26，47-48]以及基礎(chǔ)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)常數(shù)[23，49-50]等基礎(chǔ)理論研究上，在傳感器性能方面，只對(duì)靈敏度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了考察。目前的研究很少考慮傳感器真實(shí)應(yīng)用條件下的實(shí)際應(yīng)用。作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面的研究是十分必要的。

（1）大氣條件對(duì)電化學(xué)反應(yīng)和傳感器性能影響 氣體傳感器幾乎都在大氣條件下應(yīng)用，O2有可能參與電極反應(yīng)[51]，空氣濕度也會(huì)影響離子液體黏度、電導(dǎo)等物理性能，進(jìn)而影響氣體在離子液體中的傳質(zhì)過(guò)程[38，52]。研究表明，即使是憎水性的離子液體([FAP]?、[NTf2]?和[PF6]?)也會(huì)吸水[53]，因此必須考慮空氣中O2和空氣濕度對(duì)傳感器性能的影響。目前文獻(xiàn)都認(rèn)為水是一種雜質(zhì)，對(duì)傳感器性能有害，在電化學(xué)測(cè)定前幾乎都經(jīng)過(guò)真空處理，使水分蒸發(fā)[17，23，32]，而水也會(huì)參與電極反應(yīng)，起著傳遞質(zhì)子的媒介作用[51]。但是無(wú)論水是否有利于氣體檢測(cè)，均需要研究空氣濕度對(duì)目標(biāo)氣體的電化學(xué)行為的影響，以減小濕度對(duì)傳感器性能的影響。

（2）加強(qiáng)離子液體中目標(biāo)氣體和其中間產(chǎn)物的傳質(zhì)研究 離子液體由于其黏度較大，反應(yīng)物在其中的傳質(zhì)速率較慢，造成元件的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，限制了元件的實(shí)際應(yīng)用。可考慮通過(guò)添加少量的小分子助溶劑提高離子溶液的傳質(zhì)速率。

（3）加強(qiáng)氣體傳感器其它性能研究 在實(shí)際應(yīng)用中要求傳感器不僅有較高的靈敏度，還有較快的響應(yīng)、好的選擇性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、小的溫度系數(shù)等其它性能。目前研究多采用循環(huán)伏安法研究目標(biāo)氣體的反應(yīng)性和靈敏度，而很少開展其它性能方面研究。采用定點(diǎn)位測(cè)定傳感器的選擇性等性能對(duì)傳感器的應(yīng)用是十分必要的。

由上所述，離子液體為電化學(xué)氣體傳感器的發(fā)展帶來(lái)了新的希望，有望解決傳統(tǒng)電化學(xué)氣體傳感器長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。但是同時(shí)也應(yīng)該注意到，基于離子液體的電化學(xué)氣體傳感器研究還只是一個(gè)開始，還有很多的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題需要解決。

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