ACS Sensors:基于新型非贵金属催化剂的低成本和高稳定性的电化学气体传感器

催化剂技术 传感器技术
秦川    2021-01-07    861

  背景介绍

  电化学气体传感器(EGS)本身的小型化、低能耗、高灵敏度以及与检测气体具有线性响应的特点,使之既可以作为反馈终端接入物联网,参与智能城市的建设,又可以作为个人健康监测元件帮助监测健康和疾病诊断。一个典型商品EGS就是乙醇燃料电池传感器(AFCS),它是通过检测人呼气中乙醇蒸汽的浓度,计算出人体血液乙醇浓度,由此作为便携式健康监测设备或作为反馈元件组合到未来智能汽车和智能城市交通监测系统中。现有的EGS技术,比如AFCS是基于燃料电池技术的两电极或是三电极体系。它们严重依赖于高载量的铂基催化剂,不仅用于工作电极(负极)催化各种气体分子的氧化,而且还需要用在对电极(正极)催化氧还原反应(ORR)。除了昂贵的成本以外,铂基催化剂还会因为目标气体分子,如乙醇、CO、H2S等的毒化作用而显著降低EGS的稳定性和可靠性。因此,为了实现EGS在未来智能城市构建和个人健康监测中的广泛应用,下一代廉价的EGS必须降低其对铂基催化剂的依赖性。

  近期,加拿大陈忠伟院士(University of Waterloo) 课题组和温州大学王舜教授课题组以AFCS为例,首次成功制备了醇耐受的N,S-共掺杂非贵金属氧还原催化剂,并用其替代了空气电极中的商业铂基催化剂,制备出了低成本、高稳定性的EGS。相关成果以“Highly Stable Low-Cost Electrochemical Gas Sensor with an Alcohol-Tolerant N,S-Codoped Non-Precious Metal Catalyst Air Cathode”为题发表在国际化学权威杂志ACS Sensors上文章的第一作者为蒋高鹏博士和硕士生Timothy Cumberland。

  (DOI: 10.1021/acssensors.0c01466)

  研究的主要内容介绍

  该研究首次以硫粉、炭黑和聚吡咯为原料,成功制备了一种醇耐受的、N,S共掺杂的、廉价高效的Fe-N-C氧还原催化剂(FeNSC),并将其作为空气电极催化剂应用于首个非贵金属催化剂的乙醇传感器。优化后的FeNSC具有N, S共掺杂结构和特有的S掺杂FeN4活性中心、数量众多的石墨烯片层结构和高比表面积。FeNSC在酸性电解液中表现出优越的ORR活性、稳定性和卓越的醇耐受性。以FeNSC为正极催化剂的AFCS相应的也展现出优越的线性响应、低检测限和高稳定性。特别的是,当高载量FeNSC (2.2 mg cm-2)应用于AFCS空气电极时,其灵敏度明显优于商业Pt/C催化剂的AFCS。进一步,在开放式传感器设计中,基于高载量FeNSC的AFCS能耐受乙醇的毒化,展现出超越基于Pt/C催化剂AFCS的性能,仍然具有线性响应、高灵敏度和优越的稳定性。

  图示例:

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  小结

  这些卓越的传感器性能,不仅证明了用FeNSC替换AFCS正极的Pt/C催化剂的可行性,而且还为未来开发低成本、高灵敏度、高稳定性的电化学气体传感器提供了新的思路。

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