了解湿度对离子液体基电化学气体传感器的影响

电化学气体传感器是日常工作中非常重要的工具，但在当前的设计下，在炎热、干燥的环境下，其性能可能会显著下降。澳大利亚科廷大学的黛比·西尔维斯特(Debbie Silvester)认为，这个问题可以通过使用特殊的盐来解决，这种盐在室温下仍然是液态的。虽然已知这些物质会吸收水分，但在湿度方面存在独特的挑战，她的团队的工作表明，如果采取正确的预防措施，它们可以对现有的商业气体传感器设计进行切实的改进。

在有害气体可以达到危险水平的环境中，通常对监测气体水平随着时间的推移来往往非常重要。在包括矿山，机场和建筑工地以及医疗保健的工作场所，许多生活可以依赖于提醒我们致命气体的乐器。与此同时，量化气体水平对研究人员监测人类活动对自然生态系统的影响至关重要。

也许最广泛使用的监测气体的便携式技术包括在含有电解质的溶液中传递电荷——电解质溶解在溶剂中会分解成带正电的阳离子和带负电的阴离子。

这些设备被称为电化学传感器，它们有一层气体渗透膜，允许气体扩散到传感电极。这个电极通过导电溶剂与另外两个电极相连。气体要么被氧化——向传感电极失去电子，产生电流，要么被还原——从电极获得电子。特定气体的存在将改变电极上的电流，传感器将其转换为周围环境中浓度的读出。该膜具有过滤干扰气体和防止溶剂蒸发的双重功能。

正如Silvester Dr所描述的那样，“由于其高灵敏度，高选择性，低成本，便携性，耐用性，宽检测范围和低功耗要求，通常使用”电化学传感器“。自从他们的概念以来，这些传感器经历了许多改进，使它们便宜且易于使用。但是，当前设计仍然存在重大问题。

“一种电化学传感器，安培气体传感器(AGSs)，可以在商业上使用，并用于手持设备，”Silvester博士继续说。“用户按下一个按钮施加电压，就会记录下与气体浓度成正比的电流。然而，这些传感器是基于上世纪50年代的旧设计，在炎热和干燥的环境中存在局限性。”这一缺点是由于溶解电解质的溶剂——通常是水或硫酸——在这些条件下会迅速蒸发，这意味着通过电解质的电流会显著减少。

用室温盐替换溶剂
在她的研究中，Silvester博士主张通过更换更强大的室温离子液体（RTILS）来改造电化学气体传感器设计的大修。就像溶解电解质一样，RTILS可以通过自由流动的阴离子和阳离子携带电流，作用作溶剂和电解质。然而，它们也不会像含水溶液一样蒸发，从而允许去除透气膜，并简化传感器设计。RTILS还具有许多其他优点，Silvester博士解释：

她说:“RTILs是一种低熔点的盐，由物理和化学稳定的阳离子和阴离子组成，具有宽的电化学窗口、固有电导率、宽的液体温度范围、高极性和溶解多种化合物的能力。”“通过使用RTILs，我们能够使用小于一滴水的微小体积，使整个传感器设备小型化到比你的指尖还小的尺寸，显著降低材料和制造成本。”

除了这些优点，盐作为一个整体——简单地定义为阳离子(正离子)和相同数量的负离子的集合——包含各种不同的化学物质。“仅仅通过改变阳离子和阴离子的化学结构，就有成千上万种可能的组合，”西尔维斯特博士描述道。事实证明，这种选择对电化学传感器中RTILs的有效性至关重要，因为这些物质并非没有自己的缺点。

RTILs是一种低熔点的盐，由物理和化学上稳定的阳离子和阴离子组成。

探测湿度的反应
尽管RTILS通常在热干燥的环境中表现良好，但它们的优点似乎在更潮湿的条件下差异。“已知RTILS吸收水，并且这可以改变在感测电极处发生的电极反应，”Silvester博士解释说。“由于需要气体传感器在具有变化湿度水平的环境条件范围内操作，因此了解湿度对传感器响应的影响至关重要。”

通过测试含有不同结构的rttils的电化学传感器如何以不同的方式对湿度进行响应，Silvester的团队旨在确定哪种盐在湿度变化时产生更稳定的电流，使它们更加合适。在最新的研究中，研究人员观察到不同RTILS对氧的反应，这已知根据湿度水平以不同的方式反应。

“选择氧气作为目标气体，因为已知反应机制从干燥条件下的单电子还原过程转变为水存在下的多电子还原过程。电子数的变化增加了电流响应，使我们能够研究不同rtil的拒水能力，”Silvester博士继续说道。“我们研究了一些RTILs，以确定最佳电解质。”由于这种效应，研究小组预计，具有不同化学结构的RTILs会对湿度做出不同的反应，但不知道这些差异会如何表现出来。

阳离子疏水层
为了探测每个RTIL的响应，Silvester和同事博士使用了一个名为“循环伏安法”的技术，该技术在响应于周期性地改变电压时监测在物质上的电流变化。在每种情况下，在湿度存在下，盐穿过盐的电流显着变化，具有不同结构的RTILS的响应的显着差异。由于包括不同盐的阳离子和阴离子可以具有广泛改变的性质，包括它们的尺寸，以及它们被称为其“疏水性的程度”，因此这些差异可能具有广泛的不同性质，以及它们被称为其“疏水性”的程度。

小的亲水阳离子不能阻挡水，但是大的疏水阳离子可以有效地屏蔽电极。

“阴离子在高湿度水平下对电流响应的影响最大，这与体积水溶性一致，”Silvester博士描述道。“然而，湿度较低时的电流主要是由阳离子决定的。”研究小组认为，由于阳离子在电极上聚集成一层正电荷，以平衡表面的负电荷，所以阳离子反应出现了这些差异。取决于阳离子的结构，它们要么形成非常致密的疏水层，很好地排斥水，要么形成密度较低的层，含有更多的亲水阳离子，不太擅长排斥水。

完美的盾牌
这些阳离子层对Silvester博士的研究具有重要意义。由于RTILS如此多样化，她的团队指出，它们形成的层的性质可以通过仔细选择要使用的盐来精细调整。“虽然在没有水的情况下有明确的结构，但在水的情况下会破坏。小，亲水阳离子不能阻挡水到达电极表面，但较大的疏水阳离子可以有效地屏蔽电极。“这表明，为了保持稳定的电流作为湿度变化，具有更多疏水性阳离子的RTILS是最佳选择。

与此同时，他们建议疏水性较少的RTIL阳离子对于除气体感应之外的应用可能是有用的。“或者，如果需要湿度的大变化，就像湿度传感器一样，可以有利地利用亲水性RTILS的选择，”Silvester博士解释说。

电化学气体传感器的改进
该团队的发现具有重要意义;这首次表明，通过仔细选择使用的RTIL，电化学气体传感器可以抵御湿度的影响。西尔维斯特博士总结说:“总的来说，这项工作表明，仅仅通过改变RTIL的阳离子和阴离子，就极大地依赖于氧还原电流。”“对于需要稳定电流响应的应用，建议使用高度疏水和大型RTIL阳离子和阴离子。”

Silvester博士团队收集的见解很快就可以实现对气体传感器的重大改进;使它们能够小型化并使成本低，但也要在各种环境条件下保持稳定的电流。这些变化将带来各种应用中的改进;包括工作场所安全，医疗保健以及改变生态系统的监测。