電化學傳感器是一種通過檢測目標物質（如氣體、液體中的特定成分）與電極間發生的電化學反應所產生的電信號（電流或電勢），來實現對物質濃度定量分析的器件。其核心原理是利用化學反應中的電子轉移過程，將物質的化學量轉化為可測量的電信號，廣泛應用于環境監測（如SO?、CO、NOx）、工業過程控制等領域。

核心組成結構 

電化學傳感器的基本結構包括三個電極、電解質溶液、透氣膜（針對氣體檢測），各部分協同實現反應與信號輸出：  

工作電極：目標物質在此發生氧化或還原反應（核心反應區），產生電子轉移。  

對電極：平衡工作電極的電荷，完成電路閉合（不直接參與目標物質反應，僅傳導電子）。  

參比電極：提供穩定的電勢基準，確保工作電極的電勢恒定（避免因反應導致的電勢波動影響測量精度）。  

電解質溶液：通常為水溶液或有機電解質，負責傳導離子（形成離子回路，與電極的電子回路共同構成完整電路）。  

透氣膜：僅允許目標氣體透過（如PTFE膜），隔絕液體或干擾性粉塵，同時控制氣體擴散速度（確保反應穩定）。  

工作原理（以氣體檢測為例）

以電廠脫硫出口可能涉及的SO?電化學傳感器**為例，其反應過程可分為以下步驟：  

1. 擴散階段：  

   脫硫出口煙氣中的SO?分子通過透氣膜擴散進入傳感器內部，到達工作電極表面（透氣膜的作用是控制擴散速率，使反應處于“擴散控制”狀態，確保信號與濃度成正比）。  

2. 電化學反應階段：  

  在工作電極（通常為貴金屬或導電金屬氧化物，如Au、Pt）上，SO?發生氧化反應（失去電子）（電子通過外電路從工作電極流向對電極）  

  同時，對電極上發生還原反應（接受電子，平衡電荷），通常是氧氣被還原（利用空氣中的O?或電解質中的氧化劑）：  

  3. 電信號產生與測量：  

   上述反應中，電子通過外電路的流動形成電流，電流大小與SO?的反應速率直接相關。根據法拉第電解定律：反應產生的電流與單位時間內參與反應的物質的量成正比（即與SO?的濃度成正比）。  

   傳感器通過電路測量此電流（通常為微安級，μA），再通過校準曲線將電流值轉化為SO?的濃度值（如mg/m3）。（注：參比電極在此過程中維持工作電極的電勢穩定，確保反應僅由目標物質濃度驅動，不受外界電勢波動干擾。）  

主要類型與特點  

根據測量電信號的類型，電化學傳感器可分為兩類：  

1. 電流型傳感器：  

  測量反應產生的電流（與目標物質濃度成正比），如SO?、CO、H?S傳感器。  

  優勢：靈敏度高（可測ppm甚至ppb級）、響應速度快（秒級）、線性范圍寬，適合在線實時監測。  

2. 電勢型傳感器：  

   測量工作電極與參比電極間的電勢差（與目標物質濃度的對數成正比，遵循能斯特方程），如pH傳感器、離子選擇性電極（如測氟離子、氯離子）。  

   優勢：結構簡單，無需外部供電（部分類型），但響應速度較慢，線性范圍較窄。  

關鍵特性與應用限制

優勢：體積小、成本較低、可直接輸出電信號（便于與數據系統集成），適合便攜式或在線監測設備。  

限制：  

受環境因素影響大（溫度、濕度會改變反應速率，需溫度補償）；  

電解質易損耗（壽命通常1-3年，需定期更換）；  

易受干擾氣體影響（如其他還原性氣體可能在工作電極上反應，導致測量偏差，需透氣膜或電極材料選擇性優化）。  

總結

電化學傳感器的核心是“化學反應→電子轉移→電信號→濃度計算”的轉化過程，通過精準控制電極反應和信號測量，實現對目標物質的定量檢測。在電廠脫硫出口SO?監測中，雖紫外法更常用，但電化學傳感器因其低成本和小型化優勢，也常用于便攜式抽檢或輔助監測設備中。