电化学传感器工作原理

电化学传感器是一种通过检测目标物质（如气体、液体中的特定成分）与电极间发生的电化学反应所产生的电信号（电流或电势），来实现对物质浓度定量分析的器件。其核心原理是利用化学反应中的电子转移过程，将物质的化学量转化为可测量的电信号，广泛应用于环境监测（如SO₂、CO、NOx）、工业过程控制等领域。

核心组成结构 

电化学传感器的基本结构包括三个电极、电解质溶液、透气膜（针对气体检测），各部分协同实现反应与信号输出：  

工作电极：目标物质在此发生氧化或还原反应（核心反应区），产生电子转移。  

对电极：平衡工作电极的电荷，完成电路闭合（不直接参与目标物质反应，仅传导电子）。  

参比电极：提供稳定的电势基准，确保工作电极的电势恒定（避免因反应导致的电势波动影响测量精度）。  

电解质溶液：通常为水溶液或有机电解质，负责传导离子（形成离子回路，与电极的电子回路共同构成完整电路）。  

透气膜：仅允许目标气体透过（如PTFE膜），隔绝液体或干扰性粉尘，同时控制气体扩散速度（确保反应稳定）。  

工作原理（以气体检测为例）

以电厂脱硫出口可能涉及的SO₂电化学传感器**为例，其反应过程可分为以下步骤：  

1. 扩散阶段：  

   脱硫出口烟气中的SO₂分子通过透气膜扩散进入传感器内部，到达工作电极表面（透气膜的作用是控制扩散速率，使反应处于“扩散控制"状态，确保信号与浓度成正比）。  

2. 电化学反应阶段：  

  在工作电极（通常为贵金属或导电金属氧化物，如Au、Pt）上，SO₂发生氧化反应（失去电子）（电子通过外电路从工作电极流向对电极）  

  同时，对电极上发生还原反应（接受电子，平衡电荷），通常是氧气被还原（利用空气中的O₂或电解质中的氧化剂）：  

  3. 电信号产生与测量：  

   上述反应中，电子通过外电路的流动形成电流，电流大小与SO₂的反应速率直接相关。根据法拉第电解定律：反应产生的电流与单位时间内参与反应的物质的量成正比（即与SO₂的浓度成正比）。  

   传感器通过电路测量此电流（通常为微安级，μA），再通过校准曲线将电流值转化为SO₂的浓度值（如mg/m³）。（注：参比电极在此过程中维持工作电极的电势稳定，确保反应仅由目标物质浓度驱动，不受外界电势波动干扰。）  

主要类型与特点  

根据测量电信号的类型，电化学传感器可分为两类：  

1. 电流型传感器：  

  测量反应产生的电流（与目标物质浓度成正比），如SO₂、CO、H₂S传感器。  

  优势：灵敏度高（可测ppm甚至ppb级）、响应速度快（秒级）、线性范围宽，适合在线实时监测。  

2. 电势型传感器：  

   测量工作电极与参比电极间的电势差（与目标物质浓度的对数成正比，遵循能斯特方程），如pH传感器、离子选择性电极（如测氟离子、氯离子）。  

   优势：结构简单，无需外部供电（部分类型），但响应速度较慢，线性范围较窄。  

关键特性与应用限制

优势：体积小、成本较低、可直接输出电信号（便于与数据系统集成），适合便携式或在线监测设备。  

限制：  

受环境因素影响大（温度、湿度会改变反应速率，需温度补偿）；  

电解质易损耗（寿命通常1-3年，需定期更换）；  

易受干扰气体影响（如其他还原性气体可能在工作电极上反应，导致测量偏差，需透气膜或电极材料选择性优化）。  

总结

电化学传感器的核心是“化学反应→电子转移→电信号→浓度计算"的转化过程，通过精准控制电极反应和信号测量，实现对目标物质的定量检测。在电厂脱硫出口SO₂监测中，虽紫外法更常用，但电化学传感器因其低成本和小型化优势，也常用于便携式抽检或辅助监测设备中。