本發(fā)明涉及氧氣傳感器，更具體地，涉及一種鉑碳電極及其制備方法、氧泵型氧氣傳感器。

背景技術：

1、電化學型氧泵型氧氣傳感器利用電化學反應實現(xiàn)對氧氣的檢測，這類氧傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、響應速度快、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應用在工業(yè)、醫(yī)療、生物以及軍事領域。由于含鉛原電池型氧傳感器無法達到rohs標準（《關于限制在電子電氣設備中使用某些有害成分的指令》），其應用受到一定限制。因此，氧氣泵/定電位電解氧泵型氧氣傳感器（oxygen?pump?technology/constant?potential?electrolytic?oxygen?sensor，或者稱為氧泵型氧傳感器）這類不含鉛的無消耗型氧泵型氧氣傳感器應運而生。無消耗型無鉛氧泵型氧氣傳感器大多是鉑系催化劑電極，采用酸性電解液，工作電極相對參比電極-600mv偏壓，其工作原理：基于電化學反應，通過微型毛細泵或透氧膜控制氧氣擴散速率，進入傳感器內(nèi)部，在催化層的作用下發(fā)生催化反應產(chǎn)生電流，這個電流的大小與氧氣濃度成正比，從而檢測得到氧氣濃度。所涉及的電化學反應過程有：

2、工作電極：o2?+4h+?+4e-?=2h2o

3、對電極：?2h2o?=o2?+4h+?+4e-

4、從以上的電化學反應過程來看，電極和電解質(zhì)沒有消耗，傳感器內(nèi)部沒有反應物積累，因此原理上此類傳感器使用壽命長，一般大于5年，并且性能更穩(wěn)定，不會隨著使用時間的增加而發(fā)生響應時間變長或者靈敏度降低的現(xiàn)象，而且這類無消耗型無鉛氧泵型氧氣傳感器的低溫性能佳，避免了鉛的使用，能達到rohs標準。但是，這種氧泵型氧傳感器檢測的氧氣濃度范圍僅在0-25%左右，超出這個范圍后，輸出電流信號與對應的氧氣濃度不呈線性關系，導致無法檢測高濃度的氧氣含量。

5、因此，亟需開發(fā)一種氧泵型氧氣傳感器，在保證高電極催化活性的同時，檢測0-100%氧氣濃度時的輸出電流信號與對應氧氣濃度具有良好的線性關系，即兼顧靈敏度和線性度。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決上述現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。為此，本發(fā)明提出一種鉑碳電極及其制備方法、氧泵型無鉛氧泵型氧氣傳感器。本發(fā)明提供的鉑碳電極通過調(diào)整配方，不僅提高了對氧氣的靈敏度，進一步利用鉑碳電極裝配氧泵型氧氣傳感器，檢測0-100%氧氣濃度時的輸出電流信號與對應氧氣濃度具有良好的線性關系，能夠兼顧靈敏度和線性度。

2、本發(fā)明的第一方面提供一種鉑碳電極。

3、具體地，一種鉑碳電極，包括如下原料組分：鉑碳、鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物、聚合物乳液，所述鉑碳包括金屬鉑和石墨，所述聚合物乳液中含有殼聚糖、交聯(lián)劑和第一粘接劑。

4、氧泵型氧氣傳感器的陰極發(fā)生析氧反應（oer），鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物是電極的主要催化活性成分，對電極析氧反應具有催化活性，但是鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物（尤其是ru或者ruo2）很難穩(wěn)定地和鉑碳結合在一起，容易導致氧泵型氧氣傳感器性能不穩(wěn)定，影響線性度。因此，本發(fā)明在鉑碳電極中添加了殼聚糖和交聯(lián)劑，殼聚糖雖然本身不溶于水，但在交聯(lián)劑的作用下，殼聚糖發(fā)生交聯(lián)反應后其親疏水性也發(fā)生變化，交聯(lián)后的殼聚糖能夠與第一粘接劑很好地結合，從而提升吸附鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物的能力，使鉑碳和鉑族金屬和/或鉑族金屬可以更好地結合在一起，起到提高催化析氧反應以及穩(wěn)定反應電流的效果。因此，將鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物、殼聚糖、交聯(lián)劑、第一粘接劑負載在鉑碳電極上，可以提升電極oer催化效果，電極靈敏度得到提高，而且鉑碳電極整體線性度較高，在0-100%氧氣濃度范圍的輸出電流信號與對應氧氣濃度具有良好的線性關系。另外，第一粘接劑有助于提高電極的化學穩(wěn)定性，以及起到質(zhì)子傳導作用。

5、優(yōu)選地，按照質(zhì)量份計，所述鉑碳電極包括如下原料組分：

6、鉑碳????????????????????????20-90份、

7、鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物??1-10份、

8、聚合物乳液??????????????????1-20份。

9、進一步優(yōu)選地，按照質(zhì)量份計，所述鉑碳電極包括如下原料組分：

10、鉑碳?????????????????????????75-80份、

11、鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物??2-4份、

12、聚合物乳液???????????????????18-20份。

13、優(yōu)選地，所述鉑族金屬為ru（釕）、銥（ir）、鈀（pd）中的至少一種。

14、優(yōu)選地，所述鉑族金屬氧化物為ruo2、iro2、pdo中的至少一種。

15、優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分數(shù)計，所述聚合物乳液中含有1-10wt%殼聚糖、1-20wt%交聯(lián)劑、1-20wt%第一粘接劑。

16、進一步優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分數(shù)計，所述聚合物乳液中含有2-5wt%殼聚糖、3-5wt%交聯(lián)劑、5-8wt%第一粘接劑。

17、優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑為醛類物質(zhì)、雜環(huán)化合物、酸類物質(zhì)中的至少一種。

18、優(yōu)選地，所述醛類物質(zhì)為戊二醛和/或乙二醛。

19、優(yōu)選地，所述雜環(huán)化合物為環(huán)氧氯丙烷。

20、優(yōu)選地，所述酸類物質(zhì)為多元羧酸。

21、優(yōu)選地，所述第一粘接劑為聚全氟磺酸樹脂（pfsa）和/或聚四氟乙烯乳液（ptfe）。

22、優(yōu)選地，所述聚合物乳液中還含有溶劑，所述溶劑為乙二醇和/或丙三醇。

23、優(yōu)選地，所述鉑碳中金屬鉑的質(zhì)量分數(shù)為50-70%。

24、進一步優(yōu)選地，所述鉑碳中金屬鉑的質(zhì)量分數(shù)為60-65%。

25、本發(fā)明的第二方面提供一種鉑碳電極的制備方法。

26、一種鉑碳電極的制備方法，包括如下步驟：

27、（1）先利用殼聚糖、交聯(lián)劑和第一粘接劑混合，配制得到聚合物乳液；

28、（2）在保護氣體氛圍中，將鉑碳、鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物、步驟（1）制得聚合物乳液混合，熱壓成型，制得所述鉑碳電極。

29、優(yōu)選地，步驟（1）中，先將殼聚糖和交聯(lián)劑溶于溶劑中，然后再加入第一粘接劑，混合均勻后配制得到聚合物乳液。

30、優(yōu)選地，步驟（2）中，所述熱壓的溫度為150-200℃，和/或所述熱壓的壓力為1000-2000psi，和/或所述熱壓的時間為1-10s。

31、進一步優(yōu)選地，步驟（2）中，所述熱壓的溫度為180-190℃，和/或所述熱壓的壓力為1500-1800psi，和/或所述熱壓的時間為5-8s。

32、優(yōu)選地，步驟（2）中，所述保護氣體為氮氣。

33、本發(fā)明的第三方面提供一種鉑碳電極的應用。

34、一種鉑碳電極在氧氣檢測領域中的應用。

35、一種氧泵型氧氣傳感器，包括工作電極、參比電極和對電極，所述參比電極和對電極均為所述鉑碳電極，所述工作電極為鉑黑電極。

36、鉑黑對氧氣還原催化效果要優(yōu)于鉑碳，靈敏度更高。但是一般以鉑黑為主要原料組分的電極線性度較低。本發(fā)明提供的氧泵型以鉑黑電極作為工作電極，以鉑碳電極作為對電極和參比電極，經(jīng)過合理組裝搭配，可以確保氧泵型氧氣傳感器的靈敏度，同時提高線性度，能夠檢測0-100%全量程范圍的氧氣濃度，其電流輸出信號與對應的氧氣濃度保持很好的線性關系。

37、優(yōu)選地，所述鉑黑電極包括如下原料組分：鉑黑和第二粘接劑。

38、優(yōu)選地，所述鉑黑中鉑的質(zhì)量分數(shù)大于等于99%。

39、優(yōu)選地，所述第二粘接劑包括聚全氟磺酸樹脂乳液（pfsa）和/或聚四氟乙烯乳液（ptfe）。

40、優(yōu)選地，所述聚全氟磺酸樹脂乳液的質(zhì)量濃度為1-20wt%。

41、優(yōu)選地，所述聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量濃度為30-80wt%。

42、優(yōu)選地，按照質(zhì)量份數(shù)計，所述鉑黑電極包括如下原料組分：

43、鉑黑????????????????20-90份、

44、聚全氟磺酸樹脂乳液??5-50份、

45、聚四氟乙烯乳液??????5-50份。

46、優(yōu)選地，所述鉑黑電極的制備方法，包括如下步驟：

47、在保護氣體氛圍中，將各原料組分混合，熱壓成型，制得所述鉑黑電極。

48、優(yōu)選地，所述熱壓的溫度為150-200℃，所述熱壓的壓力為1000-2000psi，所述熱壓的時間為1-10s。

49、進一步優(yōu)選地，所述熱壓的溫度為180-190℃，所述熱壓的壓力為1500-1800psi，所述熱壓的時間為5-8s。

50、優(yōu)選地，所述保護氣體為氮氣。

51、一種設備，包括所述的氧泵型氧氣傳感器，所述設備包括呼吸機、孵化設備、育嬰箱、煤礦氣體檢測設備、氧氣檢測設備、廢氣檢測設備中的至少一種。

52、相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果如下：

53、本發(fā)明提供的鉑碳電極，采用鉑碳、鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物、聚合物乳液作為主要原料組分，其中聚合物乳液中含有殼聚糖、交聯(lián)劑和第一粘接劑，鉑碳包括金屬鉑和石墨，殼聚糖在交聯(lián)劑的作用下發(fā)生交聯(lián)，能夠與第一粘接劑很好地結合，從而提升吸附鉑族金屬和/或鉑族金屬氧化物的能力，使鉑碳和鉑族金屬和/或鉑族金屬可以更好地結合在一起，催化反應效果提高，穩(wěn)定反應電流，增強線性度，進一步將本發(fā)明的鉑碳電極用于裝配氧泵型氧氣傳感器，不僅具有高靈敏度，而且在0-100%氧氣濃度范圍的輸出電流信號與對應氧氣濃度具有良好的線性關系。