KR20060025078A - High temperature pH sensor electrode and pH measurement system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온에서 보다 정확히 pH를 측정할 수 있는 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 수소이온 센서 전극의 내부 전극 물질을 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체로 형성함으로 고온 영역의 전 온도범위 영역에 걸쳐 보다 정확한 pH를 측정할 수 있게 하는 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen ion sensor electrode capable of measuring pH more accurately at high temperature, and a pH measuring system using the same. More specifically, the internal electrode material of the hydrogen ion sensor electrode is a metal oxide metal on the surface of the metal powder particles The present invention relates to a hydrogen ion sensor electrode and a pH measuring system using the same, which form a metal / metal oxide-integrated composite to measure a more accurate pH over the entire temperature range of a high temperature region.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고온 pH 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템은 전자 전달을 원활하게 하여, 임피던스를 낮추어 빠른 전기화학반응을 유발함으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 150℃ 정도의 상대적으로 낮은 온도에서도 정확한 pH 측정이 가능한 수소이온 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템을 제공한다.The high temperature pH sensor electrode and the pH measuring system using the same according to the present invention configured as described above facilitate the electron transfer, lower the impedance to cause a quick electrochemical reaction, a wide temperature range of the high temperature aqueous solution, especially about 150 ℃ The present invention provides a hydrogen ion sensor electrode capable of accurate pH measurement at a relatively low temperature and a pH measuring system using the same.
수소이온 센서, pH 센서, pH 측정시스템, 산소이온 전도성 세라믹 막Hydrogen ion sensor, pH sensor, pH measuring system, oxygen ion conductive ceramic membrane
Description
도 1은 본 발명에 따른 pH 측정용 수소이온 센서전극을 개략적으로 도시한 개략도이고,1 is a schematic diagram schematically showing a hydrogen ion sensor electrode for pH measurement according to the present invention,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 전극과 종래의 센서 전극을 사용하여 pH를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing a result of measuring pH using a sensor electrode and a conventional sensor electrode according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 고온에서 보다 정확히 pH를 측정할 수 있는 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 수소이온 센서 전극의 내부 전극 물질을 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체로 형성함으로 고온 영역의 전 온도범위 영역에 걸쳐 보다 정확한 pH를 측정할 수 있게 하는 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen ion sensor electrode capable of measuring pH more accurately at high temperature, and a pH measuring system using the same. More specifically, the internal electrode material of the hydrogen ion sensor electrode is a metal oxide metal on the surface of the metal powder particles The present invention relates to a hydrogen ion sensor electrode and a pH measuring system using the same, which form a metal / metal oxide-integrated composite to measure a more accurate pH over the entire temperature range of a high temperature region.
종래로부터, 수용액 등의 pH를 측정하기 위한 각종 pH 전극이 개발되어왔다. 예를 들어, 대한민국 특허출원 제1978-1723호는 이온, ORP, pH 등을 측정할 수 있는 pH 등 측정용 복합전극을 개시하고 있으며, 대한민국 특허출원 제1980-3262호는 화학동 도금액의 pH 및 환원제농도를 pH 값으로 변환하여 장기간 연속적으로 정확하게 측정할 수 있는 pH 측정용 주 전극에 관해 개시하고 있다.Conventionally, various pH electrodes for measuring pH, such as aqueous solution, have been developed. For example, Korean Patent Application No. 1978-1723 discloses a composite electrode for measuring pH, etc., which can measure ions, ORP, pH, etc., and Korean Patent Application No. 1980-3262 discloses pH and pH of a chemical copper plating solution. Disclosed is a main electrode for pH measurement, in which a reducing agent concentration can be converted into a pH value and measured accurately continuously for a long time.
그러나 상기한 종래의 발명 등은 통상의 온도에서 pH를 측정하기 위한 pH 전극에 관해 개시하고 있을 뿐이다.However, the above-described conventional inventions and the like only disclose a pH electrode for measuring pH at a normal temperature.
한편, 고온의 수용액에 적용하기 위해 개발된 pH(-log[H+]) 측정 전극으로는 수소전극(Hydrogen electrode), 팔라듐-수소(Pd-H) 전극, 금속/금속산화물 전극, 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극 등이 있다.Meanwhile, the pH (-log [H + ]) measuring electrode developed for application to high temperature aqueous solution includes hydrogen electrode, palladium-hydrogen (Pd-H) electrode, metal / metal oxide electrode, and oxygen ion conductivity. Metal / metal oxide electrodes based on ceramic films.
첫째, 상기 수소전극의 전극반응과 전위는 다음과 같이 표현된다. First, the electrode reaction and potential of the hydrogen electrode are expressed as follows.
전극반응 : 2H+(용액) + 2e- → H2 (Pt)Electrode reaction: 2H + (solution) + 2e - → H 2 ( Pt)
전위 : E = -(2.303RT/2F)log(f H2) - (2.303RT/F)pHPotential: E =-(2.303RT / 2F) log ( f H2 )-(2.303RT / F) pH
상기 수소전극의 pH 측정용 적용 온도 범위는 25 ~ 300℃ 로 알려져 있다. 하지만 상기 전극은 수소분자가 용액에 반드시 존재해야 하고, 수소에 의한 환원반응에 안정한 시스템에서만 적용할 수 있다는 제약이 있고, 더욱이 정확한 전위를 계산하기 위해서는 수소 도산능(fugacity( f H2 ))을 알아야 하는데 이를 측정하기가 또한 쉽지 않아 실제 사용에 있어서 불편하다는 단점이 있다.Application temperature range for pH measurement of the hydrogen electrode is known to be 25 ~ 300 ℃. However, the electrode is a hydrogen, and the molecule has to be present in solution, the need to know in order to have a restriction that it can only work with a stable system to the reduction by hydrogen, and further calculates the exact potential hydrogen bankrupt capacity (fugacity (f H2)) It is also not easy to measure, which is disadvantageous in actual use.
둘째, 상기 팔라듐-수소(Pd-H) 전극의 전극반응은 다음과 같이 표현된다.Second, the electrode reaction of the palladium-hydrogen (Pd-H) electrode is expressed as follows.
전극반응 : H+(용액) + e- → H (Pd)Electrode reaction: H + (solution) + e - → H (Pd )
상기 전극의 실질적인 적용 온도 범위는 25 ~ 200℃ 로 알려져 있다. 그런데 일반적으로 고온 수용액의 pH 측정에서는 적용 가능한 온도가 최소 300℃ 정도는 요구된다는 점에서 상기 전극은 적용 온도 범위가 좁아 고온 수용액의 pH 측정에 바람직하게 사용될 수 없다. 더욱이, 상기 전극의 더 근본적인 제약은 용존산소 등과 같은 산화제가 포함된 용액에서는 상기 센서전극을 pH 측정 전극으로 사용할 수 없다는 점이다.The practical application temperature range of the electrode is known to be 25 to 200 ° C. However, in general, in the measurement of pH of a high temperature aqueous solution, at least 300 ° C. of the applicable temperature is required, the electrode may not be preferably used for measuring a pH of a high temperature aqueous solution because the application temperature range is narrow. Moreover, a more fundamental limitation of the electrode is that the sensor electrode cannot be used as a pH measuring electrode in a solution containing an oxidizing agent such as dissolved oxygen.
셋째, 상기 금속/금속산화물 전극의 경우는 W/WO3 시스템을 제외하고는 네른시안 pH 거동(Nernstian pH behavior)을 보이지 않아 정확한 pH를 측정할 수 없다는 단점이 있다. 한편, 상기 금속/금속산화물 전극 중 네른시안 pH 거동을 보이는 W/WO3 시스템의 전극반응과 전위는 다음과 같이 표현된다.Third, in the case of the metal / metal oxide electrode, except for the W / WO 3 system, there is a disadvantage in that accurate pH cannot be measured because Nernstian pH behavior is not exhibited. On the other hand, the electrode reaction and the potential of the W / WO 3 system showing the Nernian pH behavior of the metal / metal oxide electrode is expressed as follows.
전극반응 : WO3 + 6H+(용액) + 6e- → W + 3H2OElectrode reaction: WO 3 + 6H + (solution) + 6e - → W + 3H 2 O
전위 : E = Eo W/WO3 - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o W / WO3-(2.303RT / F) pH
그러나, 상기 전극의 실질적인 적용 온도 범위는 25 ~ 200℃ 로 알려져 있 어, 상기 팔라듐-수소(Pd-H) 전극의 경우와 같이 고온 수용액의 pH 측정에 바람직하게 사용될 수 없다. 또한, 텅스텐 산화물의 화학적 형태가 매우 다양하고 내구성이 떨어져 사용하는데 많은 어려움이 있다는 단점도 있다.However, the practical application temperature range of the electrode is known to be 25 to 200 ° C., and thus cannot be preferably used for pH measurement of a high temperature aqueous solution as in the case of the palladium-hydrogen (Pd-H) electrode. In addition, there are disadvantages in that the chemical form of tungsten oxide is very diverse and difficult to use due to its poor durability.
마지막으로, 상기 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극은 세라믹 막이 화학적 저항성을 가지고 있어서 다양한 화학적 환경에 적용 가능하기 때문에 현재 가장 많이 사용되고 있다. 상기한 세라믹 막으로는 산소 이온 전도성이 탁월하고 기계적 강도가 좋은 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 센서전극(M/MO|YSZ|H+,H2O)이 가장 널리 사용되고 있다. Finally, the metal / metal oxide electrode based on the oxygen ion conductive ceramic film is currently used most because the ceramic film has chemical resistance and thus can be applied to various chemical environments. The yttria-stabilized zirconia (YSZ) sensor electrode (M / MO | YSZ | H + , H 2 O) having excellent oxygen ion conductivity and good mechanical strength is most widely used as the ceramic membrane.
상기 전극의 전체 전극반응 및 전위는 다음과 같다.The total electrode reaction and potential of the electrode are as follows.
전체 전극반응 : MOx + 2xH+(용액) + 2xe- → M + xH 2OThe electrode reaction: MO x + 2 x H + ( solution) x 2 + e - → M x + H 2 O
전위 : E = Eo M/MO x - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o M / MO x- (2.303RT / F) pH
상기 전체 전극반응식과 전위식을 살펴보면 상기 전위는 세라믹 막과는 전혀 상관이 없는 것처럼 보인다. 하지만 실제 측정된 전위는 세라믹 막의 종류에 따라 바뀔 수 있다. 세라믹 막에서는 산소이온 전도가 일어나는데 이 전도도가 충분히 높은 경우에만 측정된 전위가 오직 용액의 pH에 의존한다. 다시 말해서 산소 이온 전도도가 떨어지는 세라믹 막에서 측정된 전위는 용액의 pH를 정확히 반영하지 못하게 된다는 단점이 있다.Looking at the total electrode reaction equation and the potential equation, the potential does not seem to have anything to do with the ceramic film. However, the actual measured potential may vary depending on the type of ceramic film. Oxygen ion conduction occurs in the ceramic membrane, and the potential measured only depends on the pH of the solution if the conductivity is high enough. In other words, the potential measured in the ceramic membrane with poor oxygen ion conductivity does not accurately reflect the pH of the solution.
상기한 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극에 대한 종래기술로는 미국특허 제4,264,424호 및 6,551,478호가 있다.Conventional technologies for metal / metal oxide electrodes based on the oxygen ion conductive ceramic membranes include US Pat. Nos. 4,264,424 and 6,551,478.
상기 미국특허 제4,264,424호(미국 GE 사)는 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 수소이온 센서전극에 관한 것으로, 세라믹 막의 주성분으로 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 토륨 산화물(thorium oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 란타늄 산화물(lanthanum oxide) 등을 사용하고, 첨가제로 이트리아(yttria), 스칸디아(scandia), 칼시아(calcia), 마그네시야(magnesia) 등을 사용하며, 또한 내부 전극물질로는 구리/구리 산화물(copper/copper oxide), 철/복합 철 산화물 (iron/ferrous oxide+magnetite) 등을 사용한 수소이온 센서전극을 개시하고 있다.The U.S. Patent No. 4,264,424 (GE, USA) relates to a metal / metal oxide hydrogen ion sensor electrode based on an oxygen ion conductive ceramic film. The main components of the ceramic film are zirconium oxide, thorium oxide, Cerium oxide, lanthanum oxide, etc. are used, yttria, scandia, calcia, magnesia, etc., are used as additives, and internal electrodes are also used. A hydrogen ion sensor electrode using copper / copper oxide, iron / ferrous oxide + magnetite, or the like is disclosed as a material.
또한, 미국특허 제6,551,478호(미국 에너지부)에는 구부리기 쉬운 튜브 (flexible tube), 튜브 끝에 위치한 산소이온 전도성 세라믹 플러그(plug), 금속/금속산화물 전극반응 시스템으로 구성된 센서전극을 개시하고 있다. 상기 특허에서 튜브의 재질로는 테프론(teflon)이 기술되어 있고, 세라믹 플러그의 재질로는 안정화된 지르코니아가 기술되어 있다. 또한, 전극반응 시스템으로는 구리/구리 산화물, 철/철 산화물, 은/은 산화물, 니켈/니켈 산화물, 수은/수은 산화물 등이 기술되어 있다.In addition, U. S. Patent No. 6,551, 478 (U.S. Department of Energy) discloses a sensor electrode consisting of a flexible tube, an oxygen ion conductive ceramic plug located at the end of the tube, and a metal / metal oxide electrode reaction system. In this patent, Teflon is described as the material of the tube, and stabilized zirconia is described as the material of the ceramic plug. In addition, as the electrode reaction system, copper / copper oxide, iron / iron oxide, silver / silver oxide, nickel / nickel oxide, mercury / mercury oxide, and the like are described.
상기한 종래의 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극은 세라믹 막의 화학적 비 활성으로 인하여 다양한 화학적 환경으로의 적용가능성, 높은 정밀성 및 탁월한 내구성으로 인하여 현재 가장 널리 사용되고 있는 실정이다. The conventional ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrode described above is the most widely used due to the chemical inactivity of the ceramic membrane due to its applicability to various chemical environments, high precision, and excellent durability.
하지만 이러한 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극 중 성능이 비교적 우수한 YSZ 막 기반 센서 전극에서도 Hg/HgO 시스템을 제외하고는 측정 대상물인 고온 수용액의 온도 영역에서 180℃ 이하의 비교적 낮은 온도 영역에서는 센서전극의 임피던스가 크게 증가하는 경향을 나타내며, 이 때문에 센서전극이 네른시안 pH 거동(Nernstian pH behavior)을 보이지 않고, 따라서 결과적으로 용액의 pH 측정에 있어서 큰 오차가 발생하여 바람직하게 사용될 수 없다. 한편, 적용온도 범위가 상대적으로 넓어 비교적 낮은 온도 영역에서도 보다 정확한 pH를 측정할 수 있는 Hg/HgO 시스템에서는 사용되는 물질인 Hg이 친환경적인 물질이 아니기 때문에 사용에 큰 불편함이 따른다는 단점이 있다.However, the YSZ membrane-based sensor electrode, which has a relatively high performance among the ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrodes, has the impedance of the sensor electrode at a relatively low temperature range of less than 180 ° C in the temperature range of the high temperature aqueous solution, which is the object of measurement except the Hg / HgO system. Shows a tendency to increase significantly because of this, the sensor electrode does not show the Nernstian pH behavior, and as a result, a large error occurs in the measurement of the pH of the solution and cannot be used preferably. On the other hand, in the Hg / HgO system, which can measure pH more accurately even at a relatively low temperature range due to the relatively wide application temperature range, Hg, which is a material used, is not an environmentally friendly material. .
이에, 본 발명자 등은 수소이온 센서전극에 있어서, Hg/HgO을 사용하지 않으면서도 낮은 온도에서도 네른시안 pH 거동을 보이므로, 고온 수용액의 전 온도 영역에서 보다 정확한 pH의 측정이 가능한 수소이온 센서전극을 제공하기 위해 예의 연구한 결과 적절한 방법에 의해 센서전극의 전기화학적 임피던스를 낮출 수 있는 센서 전극을 개발함으로서 본 발명을 완성하였다.Thus, the present inventors, since the hydrogen ion sensor electrode, shows the Nernstian pH behavior even at low temperature without using Hg / HgO, the hydrogen ion sensor electrode capable of measuring pH more accurately in the entire temperature range of the high temperature aqueous solution. As a result of intensive studies to provide the present invention, the present invention has been completed by developing a sensor electrode capable of lowering the electrochemical impedance of the sensor electrode by an appropriate method.
따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 수소이온 전극센서의 문제점을 해결하여 Hg/HgO을 사용하지 않으면서도 측정 대상물인 고온 수용액의 낮은 온도에서도 네른시안 pH 거동을 보이므로, 고온 수용액의 전 온도 영역에서 보다 정확한 pH의 측정이 가능한 수소이온 센서전극을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the conventional hydrogen ion electrode sensor, so that even without the use of Hg / HgO shows the Nernian pH behavior even at low temperatures of the high temperature aqueous solution to be measured, than in the entire temperature range of the high temperature aqueous solution It is to provide a hydrogen ion sensor electrode capable of accurate pH measurement.
본 발명의 다른 목적은 상기 수소이온 센서전극을 사용한 pH 측정시스템을 제공하기 위한 것이다.
Another object of the present invention is to provide a pH measurement system using the hydrogen ion sensor electrode.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은;In order to achieve the above object, the present invention;
산소이온 전도성 세라믹 막, 전극 물질 및 도전성 집전체를 포함하는 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 전극 물질로 금속산화물이 금속 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체를 사용하는 것을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극을 제공한다.A hydrogen ion sensor electrode comprising an oxygen ion conductive ceramic film, an electrode material, and a conductive current collector, wherein the electrode material comprises a metal / metal oxide integrated composite having a metal oxide present on the surface of a metal particle. It provides a sensor electrode.
또한 본 발명은;In addition, the present invention;
산소이온 전도성 세라믹 막, 전극 물질 및 도전성 집전체를 포함하는 수소이온 센서 전극; 기준 전극; 전압측정장치(electrometer)로 구성되는 pH 측정 시스템에 있어서, 상기 전극 물질로 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체를 사용하고, 상기 전압 측정장치는 높은 인풋 임피던스(input impedance)를 가진 전압 측정장치로 구성되는 pH 측정 시스템을 제공한다.A hydrogen ion sensor electrode comprising an oxygen ion conductive ceramic film, an electrode material, and a conductive current collector; Reference electrode; In a pH measurement system composed of an electrometer, a metal / metal oxide integrated composite in which a metal oxide is present on the surface of a metal powder particle is used as the electrode material, and the voltage measuring device has a high input impedance. It provides a pH measuring system consisting of a voltage measuring device having a).
본 발명에 따른 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 산소이온 전도성 세라믹 튜브는 지르코늄(Zr) 산화물, 토륨(Th) 산화물, 비스무쓰(Bi) 산화물 및 세륨(Ce) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 주성분과 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 칼슘(Ca) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 어븀(Er) 산화물 및 사마륨(Sm) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제(dopant)로 구성된다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the oxygen ion conductive ceramic tube is at least one main component selected from the group consisting of zirconium (Zr) oxide, thorium (Th) oxide, bismuth (Bi) oxide and cerium (Ce) oxide. And one or more dopants selected from the group consisting of yttrium (Y) oxide, magnesium (Mg) oxide, calcium (Ca) oxide, scandium (Sc) oxide, erbium (Er) oxide, and samarium (Sm) oxide. .
본 발명에 따른 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 금속/금속산화물 복합체의 주성분인 금속은 구체적으로는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 또는 이들의 조합과 이들의 합금을 포함한다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the main metal of the metal / metal oxide composite is specifically copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium ( Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin (Sn), or combinations thereof and alloys thereof.
상기 본 발명에 따른 수소이온 센서전극의 전극 물질은 전기적 저항을 줄이기 위해 다양한 종류의 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube), 탄소 나노 볼(carbon nanoball), 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 제 1 첨가제로 포함할 수 도 있다. The electrode material of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention is various kinds of graphite (carbon), carbon fiber (carbon black), carbon nanotube (carbon nanotube), carbon nano to reduce the electrical resistance One or more selected from the group consisting of carbon nanoballs, mixtures thereof, and derivatives thereof may be included as the first additive.
또한, 상기 수소이온 센서전극의 전극 물질은 전기적 저항을 줄이기 위해 전기화학적으로 반응성이 없고 비표면적이 큰 다양한 전이금속, 백금, 금, 은, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 제 2첨가제를 더욱 포함할 수 도 있다.In addition, the electrode material of the hydrogen ion sensor electrode is one selected from the group consisting of various transition metals, platinum, gold, silver, mixtures thereof and alloys thereof, which are not electrochemically reactive and have a large specific surface area in order to reduce electrical resistance. The above may further include a second additive.
상기 본 발명에 따른 pH 전극 시스템에 있어서, 고온 기준전극은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금/수소(Pt/H2) 전극, 팔라듐/수소(Pd-H) 전극 중 하나를 사용할 수 있다.In the pH electrode system according to the present invention, the high temperature reference electrode may use one of silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrodes, platinum / hydrogen (Pt / H 2 ) electrodes, and palladium / hydrogen (Pd-H) electrodes. have.
상기 본 발명에 따른 pH 전극 시스템에 있어서, 수소이온 센서전극과 기준전극 사이의 전압을 측정하는 전압측정장치의 인풋 임피던스는 바람직하기로는 108 ohm 이상이고 보다 바람직하기로는 1010 ohm 이상이고 가장 바람직하기로는 1012 ohm 이상이다.In the pH electrode system according to the present invention, the input impedance of the voltage measuring device for measuring the voltage between the hydrogen ion sensor electrode and the reference electrode is preferably 10 8 ohm or more, more preferably 10 10 ohm or more and most preferably It is below 10 12 ohms.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 100 내지 300℃와 같은 고온의 pH 측정에서 보다 넓은 온도범위, 특히 상대적으로 낮은 온도(예를 들면, 150℃) 영역에서도 용액의 pH를 보다 정확하게 측정할 수 있어 광범위한 온도 범위에서 적용 가능한 pH 측정 시스템을 제공하는 것으로, 상기 pH 측정시스템은 상술한 바와 같이, 산소이온 전도성 세라믹 막, 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체로 된 전극 물질 및 도전성 집전체로 구성된 수소이온 센서 전극; 고온 기준 전극; 및 높은 인풋 임피던스를 가진 전압측정장치(electrometer)로 구성된다.The present invention can more accurately measure the pH of a solution in a wider temperature range, especially in a relatively low temperature (eg 150 ° C.) range, in high temperature pH measurements such as 100 to 300 ° C., and therefore can be applied over a wide range of temperatures. In providing a pH measuring system, the pH measuring system is composed of an oxygen ion conductive ceramic membrane, an electrode material of a metal / metal oxide integrated composite in which a metal oxide is present on a surface of a metal powder particle, and a conductive current collector, as described above. Hydrogen ion sensor electrode; High temperature reference electrode; And an electrometer with high input impedance.
상기 산소이온 전도성의 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극(M/MO|ceramic membrane|H+,H2O)은 세라믹 막을 중심으로 두 개의 계면(interface)이 존재하여 계 면 내외로 산소이온을 이동시켜 계면 안쪽과 밖에서 다음과 같은 반응을 일으킨다. The oxygen-ion conductive ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrode (M / MO | ceramic membrane | H + , H 2 O) has two interfaces with respect to the ceramic membrane and moves oxygen ions into and out of the interface. The following reactions occur inside and outside the interface.
즉, 센서전극에서 일어나는 세부적인 반응을 살펴보면 다음과 같다.That is, the detailed reaction occurring at the sensor electrode is as follows.
A. 용액 쪽 계면 : 2xH+ (용액) + O2- (세라믹 막) → H 2O A. Solution-side interface: 2 x H + (solution) + O 2- (ceramic membrane) → H 2 O
B. 세라믹 막 내부 : 산소이온 이동B. Inside the ceramic membrane: Oxygen ion transfer
C. 튜브 안쪽 계면 : MOx + 2xe- → M + O 2- (세라믹 막)C. tube inside surface: MO x + 2 x e - → M + O 2- ( ceramic film)
상기 세 반응(A ~ C)을 합치면 다음과 같은 전체 반응식을 얻을 수 있다.When the three reactions (A to C) are combined, the following overall reaction formula can be obtained.
전체 전극반응 : MOx + 2xH+(용액) + 2xe- → M + x H 2OThe electrode reaction: MO x + 2 x H + ( solution) x 2 + e - → M x + H 2 O
상기 전체 전극반응의 네른스트 식을 쓰면 다음과 같다.The Nernst equation of the total electrode reaction is as follows.
전위 : E = Eo M/MO x - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o M / MO x- (2.303RT / F) pH
따라서, 결과적으로 세라믹 막 전극에서 측정된 전위로부터 용액의 pH를 계산할 수 있다.Consequently, the pH of the solution can be calculated from the potential measured at the ceramic membrane electrode.
상기 센서전극이 낮은 온도에서도 네른시안 pH 거동을 보이기 위해서는 센서전극의 전기화학적 임피던스를 낮추어야 한다. 센서전극 임피던스의 주요 요소는 세라믹 막 내부에서 일어나는 산소이온 이동에 기인한 임피던스, 내부 전극물질의 전극반응에 기인한 임피던스 등이다. 낮은 온도에서도 산소이온 이동에 기인한 임피던스를 낮추기 위해서는 세라믹 막의 두께를 얇게 하거나, 세라믹 막의 종류를 바꾸는 것이 제안될 수 있는데, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 주로 튜브 내 전기화학 반응의 임피던스를 낮추기 위해 내부 전극반응 물질을 개선하였다. 상기와 같이 본 발명에서는 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체로 된 전극 물질을 사용함으로서 임피던스를 낮추었으며, 따라서 결과적으로 임피던스와 전기화학 반응속도는 서로 반비례하므로 본 발명에 따른 수소이온 센서 전극의 전기화학 반응속도를 향상시켰다.In order for the sensor electrode to show the Nernian pH behavior even at a low temperature, the electrochemical impedance of the sensor electrode should be lowered. The main elements of the sensor electrode impedance are impedance due to oxygen ion movement inside the ceramic film, and impedance due to electrode reaction of the internal electrode material. In order to lower the impedance due to oxygen ion migration even at a low temperature, it may be proposed to reduce the thickness of the ceramic film or to change the type of the ceramic film. As described above, the present invention mainly reduces the impedance of the electrochemical reaction in the tube. The electrode reaction material was improved. As described above, in the present invention, the metal oxide is lowered by using the electrode material of the metal / metal oxide integrated composite present on the surface of the metal powder particles, and as a result, the impedance and the electrochemical reaction rate are inversely proportional to each other. The electrochemical reaction rate of the hydrogen ion sensor electrode was improved.
즉, 종래의 세라믹 막 기반 센서전극의 금속/금속산화물 시스템에서는 금속과 금속산화물 두 가지 물질을 적절히 혼합하여 세라믹 튜브 내에 넣어 센서전극을 구성함으로 인해 전극반응의 속도를 낮다는 등의 제반 문제점을 가지고 있었지만, 상기와 같이 구성되는 본 발명에의 전극센서는 전극반응의 속도가 상당하게 향상되었다.That is, in the metal / metal oxide system of the conventional ceramic film-based sensor electrode, there are various problems such as lowering the electrode reaction rate by constructing the sensor electrode by appropriately mixing two materials with metal and metal oxide in a ceramic tube. However, the electrode sensor of the present invention configured as described above significantly improved the speed of the electrode reaction.
보다 자세히 설명하면, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 수소이온 센서전극의 전극반응의 속도의 향상은 다음과 같이 두 가지의 특정 구성에 의해 달성되었다.In more detail, as described above, the improvement of the electrode reaction rate of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention was achieved by two specific configurations as follows.
첫째로는, 금속/금속산화물 일체형 복합체를 전극물질로 사용함에 의해 달성되었다. 본 발명에서는 기본적으로 금속산화물이 금속 분말 입자 표면에 위치한 물질을 사용하였다. 금속/금속산화물 일체형 복합체를 제조하는 방법은 금속표면을 산화시키는 방법, 금속산화물을 물리화학적으로 금속입자 표면에 붙이는 방법 등을 포함한다. 금속표면 산화방법으로는 공기 중 산화, 산소 분위기 하에서 열에 의한 산화, 다양한 화학조건 하에 있는 용액에 의한 산화(chemical oxidation) 등을 포함한다. 물리화학적으로 붙이는 방법에는 진공증착법(vacuum deposition), 스핀 코팅법(spin coating), 압착법(pressing) 등을 포함한다. First, it was achieved by using a metal / metal oxide integrated composite as an electrode material. In the present invention, the metal oxide is basically used a material located on the surface of the metal powder particles. The method of manufacturing a metal / metal oxide integrated composite includes a method of oxidizing a metal surface, a method of attaching a metal oxide to a surface of metal particles, and the like. Metal surface oxidation methods include oxidation in air, oxidation by heat under oxygen atmosphere, chemical oxidation by solution under various chemical conditions, and the like. Physical chemical bonding methods include vacuum deposition, spin coating, pressing, and the like.
둘째, 본 발명에서는 전자 전달을 원활하게 하기 위해 첨가제를 사용하여 전극반응 속도를 향상시켰다. 상기 첨가제로 전기적 저항을 줄이기 위해 다양한 종류의 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 볼, 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 제 1 첨가제로 포함할 수 있다. 또는 전기화학적으로 반응성이 없고 비표면적이 큰 다양한 전이금속, 백금, 금, 은, 이들의 혼합물 및 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 제 2첨가제로 더 포함할 수 도 있다.Second, in the present invention, the electrode reaction rate was improved by using an additive to facilitate electron transfer. Selected from the group consisting of various kinds of graphite, carbon fiber, carbon black, carbon nanotubes, carbon nanoballs, mixtures thereof, and derivatives thereof to reduce electrical resistance with the additive. One or more of which may be included as the first additive. Alternatively, the second additive may further include one or more selected from the group consisting of various transition metals, platinum, gold, silver, mixtures, and alloys of which are not electrochemically reactive and have a large specific surface area.
본 발명에 따른 상기 수소이온 센서전극의 도전성 집전체는 본질적으로는 전자의 전달 역할만 하면 되지만 더 나아가서 전극반응에 참여할 수 도 있다. 도전성 집전체는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 크롬, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 탄소, 주석(Sn), 이들로 도금된 금속, 이들로 표면처리된 금속, 이들의 조합 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The conductive current collector of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention is essentially only a role of electron transfer, but may further participate in the electrode reaction. The conductive current collector is copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, chromium, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), carbon , Tin (Sn), metals plated with these, metals surface-treated with them, combinations thereof, and alloys thereof.
본 발명에 따른 상기 pH 측정시스템의 고온 기준전극의 예로는 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금/수소(Pt/H2) 전극, 팔라듐/수소(Pd-H) 전극이 있다. 은/염화은 전극의 경우, 고온 환원 환경에서 흔히 발생하는 염화은의 열 가수분해 현상으로 인해 수명이 떨어지기 때문에 외부 기준전극 방식을 취하는 것이 바람직하다.Examples of the high temperature reference electrode of the pH measuring system according to the present invention include a silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrode, a platinum / hydrogen (Pt / H 2 ) electrode, and a palladium / hydrogen (Pd-H) electrode. In the case of the silver / silver chloride electrode, it is preferable to take an external reference electrode method because the life is shortened due to the thermal hydrolysis of silver chloride, which is commonly occurring in a high temperature reducing environment.
상기 pH 측정시스템의 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압은 적절한 일렉트로메터(electrometer)를 사용하여 측정할 수 있다. 센서전극의 전류량이 매우 작기 때문에 이보다 많은 전류가 일렉트로메터 쪽으로 흐르게 되면 센서전극의 평형반응을 훼손하기 되어 측정된 전위는 용액의 pH를 정확하게 반영하지 못하게 된다. 이러한 이유에서, 본 발명에 따르면, 일렉트로메터 쪽으로 전류가 거의 흐르지 않도록 인풋 임피던스가 큰 일렉트로메터를 사용함이 바람직하다. 본 발명에 따른 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터의 인풋 임피던스는 높을수록 좋고, 최소 108 Ω 이상은 되어야 한다. 일반적으로 1012 Ω 이상의 높은 인풋 임피던스를 가진 일렉트로메터를 사용함이 보다 바람직하다.The voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode of the pH measurement system can be measured using a suitable electrometer. Since the current amount of the sensor electrode is very small, if more current flows toward the electrometer, the equilibrium reaction of the sensor electrode is impaired, and the measured potential does not accurately reflect the pH of the solution. For this reason, according to the present invention, it is preferable to use an electrometer having a large input impedance so that almost no current flows toward the electrometer. The higher the input impedance of the electrometer for measuring the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode according to the present invention, the better, and should be at least 10 8 kHz or more. It is generally more desirable to use an electrometer with a high input impedance of 10 12 kHz or more.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소이온 센서전극에서는 전극물질로 금속산화물이 금속의 표면에 도포되는 형태로 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체를 사용하고, 전자 전달을 원활하게 하기 위해 첨가제를 부가함으로, 임피던스를 낯추어 전극반응 속도를 향상시킴으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 상대적으로 낮은 온도에서도 정확한 pH 측정이 가능한 수소이온 센서 전극을 제공한다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention configured as described above using a metal / metal oxide integrated composite present in the form of the metal oxide is applied to the surface of the metal as an electrode material, to add an additive to facilitate electron transfer By improving the electrode reaction speed by reducing the impedance, it provides a hydrogen ion sensor electrode capable of accurate pH measurement over a wide temperature range of a high temperature aqueous solution, especially at a relatively low temperature.
이하 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 보다 자세히 설명한다. 아래의 실시예는 다만 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아님은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. The following examples are merely presented to aid the understanding of the present invention, of course, the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1><Example 1>
온도가 80℃로 일정하게 유지되는 오븐에 Ni 분말(Alfa 사, 순도 = 99.99%, 입도 = 5 um)을 넣고 6시간 이상 동안 산소분위기 하에서 Ni 입자 표면을 부분적으로 산화시켰다. 입자 표면이 산화처리된 Ni 분말을 미국 CTC(Custom Technology Ceramics) 사의 한 쪽 끝이 막힌 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 멤브레인(membrane) 튜브 하단부에 채운 다음 백금 와이어(길이 : 300 mm, 직경 1.0 mm)를 분말 층 속에 위치하게 하였다. YSZ(yttria = 8.5 wt%) 튜브의 길이, 외경, 내경은 각각 220 mm, 8.0 mm, 5.0 mm 였다. Ni/NiO 일체형 복합체 분말층 위에 유리섬유(glass wool)을 넣고, 그 위에 MgO를 거의 튜브 입구까지 채운 후 진동기(vibrator)를 이용하여 튜브 내 물질의 충진 밀도(packing density)를 높였다. 충진된 물질이 밖으로 나오지 못하게 세라믹 실란트(sealant)를 사용하여 튜브를 최종적으로 막았다. 전극물질이 충진된 YSZ 막 전극를 고정 및 보호하기 위하여 적절하게 고안된 스테인레스 몸체(body)에 장전하였다.Ni powder (Alfa, purity = 99.99%, particle size = 5 um) was put in an oven where the temperature was kept constant at 80 ° C., and the surface of Ni particles was partially oxidized under an oxygen atmosphere for at least 6 hours. Ni powder whose surface is oxidized is filled in the bottom of a closed yttria-stabilized zirconia (YSZ) membrane tube at one end of Custom Technology Ceramics (CTC) in the United States, followed by platinum wire (length: 300 mm, diameter 1.0 mm). Was placed in the powder layer. The length, outer diameter and inner diameter of the YSZ (yttria = 8.5 wt%) tube were 220 mm, 8.0 mm and 5.0 mm, respectively. Glass wool was placed on the Ni / NiO integral composite powder layer, and MgO was almost filled to the tube entrance, and the packing density of the material in the tube was increased using a vibrator. The tube was finally closed using a ceramic sealant to prevent the filled material from coming out. The YSZ membrane electrode filled with electrode material was loaded in a properly designed stainless steel body to fix and protect the electrode.
<실시예 2><Example 2>
테스트 용액으로 0.01M B(OH)3 수용액을 사용하였다. 이 용액을 고온 고압의 오토클레이브(autoclave)에 넣고 10 시간 이상 동안 아르곤 가스 퍼지(purging)를 실시하여 용액에 녹아 있는 CO2와 산소를 완전히 제거하였다. 이 오토클레이브에 실시예 1의 수소이온 센서전극과 외부 Ag/AgCl 기준전극을 장전하였다. 150 ~ 280℃ 온도범위에서 수소이온 센서전극의 전위를 측정한 후 네른스트 식을 이용하여 테스트 용액의 pH를 계산하였다. 수소이온 센서전극과 기준전극 사이의 전압은 Keithley 602 electrometer(인풋 임피던스 = 1014 Ω)를 사용하여 측정하였다. 측정된 pH 결과는 도 2에 나타내었다.A 0.01 MB (OH) 3 aqueous solution was used as the test solution. The solution was placed in an autoclave of high temperature and high pressure, and argon gas purging was performed for 10 hours or more to completely remove the dissolved CO 2 and oxygen in the solution. The autoclave was loaded with the hydrogen ion sensor electrode of Example 1 and an external Ag / AgCl reference electrode. After measuring the potential of the hydrogen ion sensor electrode at a temperature range of 150 ~ 280 ℃ and calculated the pH of the test solution using the Nernst equation. The voltage between the hydrogen ion sensor electrode and the reference electrode was measured using a Keithley 602 electrometer (input impedance = 10 14 mA). The measured pH results are shown in FIG. 2.
<실시예 3><Example 3>
Ni/NiO 일체형 복합체 분말을 YSZ 튜브 내로 넣기 전에 Ni/NiO 일체형 복합체 분말과 탄소나노튜브를 100 대 1의 무게비로 혼합한 후, 이 혼합물을 YSZ 튜브의 하단부에 넣었다는 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 하여 수소이온 센서전극을 제조하였다.Example 1 except that the Ni / NiO integral composite powder and the carbon nanotubes were mixed at a weight ratio of 100 to 1 before the Ni / NiO integral composite powder was introduced into the YSZ tube, and the mixture was placed at the bottom of the YSZ tube. A hydrogen ion sensor electrode was prepared as described above.
<비교예 1>Comparative Example 1
전극반응 물질로 NiO로 표면처리된 Ni 분말 대신 Ni(Alfa 사, 순도 = 99.99%, 입도 = 5 um)과 NiO(Aldrich 사, 순도 = 99.99%, 입도 = 10 um)의 혼합 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 하여 수소이온 센서전극을 제조하였 다. 여기서, Ni 분말과 NiO 분말은 YSZ 튜브 내로 넣기 전에 1 대 1의 무게비로 혼합기를 이용하여 고르게 혼합하여 사용하였다.Except for using NiO (Alfa, Purity = 99.99%, Particle Size = 5 um) and NiO (Aldrich, Purity = 99.99%, Particle Size = 10 um) instead of NiO surface treated with NiO In the same manner as in Example 1 to prepare a hydrogen ion sensor electrode. Here, Ni powder and NiO powder were mixed evenly using a mixer at a weight ratio of 1 to 1 before being put into the YSZ tube.
<비교예 2>Comparative Example 2
비교예 1의 센서전극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건과 방법으로 pH를 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다.Except that the sensor electrode of Comparative Example 1 was used, the pH was measured by the same conditions and methods as in Example 2, and the results are shown in FIG.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 180 ~ 280℃ 온도범위에서는 실시예 2 및 비교예 2의 센서전극에서 측정된 pH 값 모두 이론적인 pH 값과 거의 유사하다. 하지만 150℃에서는 실시예 2의 경우 실제 pH 와 큰 차이가 없지만 비교예 2에서는 큰 오차가 발생함을 알 수 있다. 이 결과는 종래의 단순 금속/금속산화물 혼합물을 사용한 경우 센서전극의 150℃ 정도의 낮은 온도에서는 임피던스가 커서 오차가 발생하고 따라서 고온 수용액의 비교적 낮은 온도 영역에서는 적절하게 사용할 수 없지만 본 발명에 따라 금속/금속산화물 일체형 복합체를 사용한 경우 150℃ 정도의 낮은 온도에서도 오차가 발생하지 않고 따라서 고온 수용액의 비교적 낮은 온도 영역을 포함하는 전 영역에서 바람직하게 사용될 수 있다.As can be seen in Figure 2, in the temperature range of 180 ~ 280 ℃ both the pH value measured in the sensor electrode of Example 2 and Comparative Example 2 is almost similar to the theoretical pH value. However, at 150 ° C., in Example 2, there is no significant difference from the actual pH, but in Comparative Example 2, a large error occurs. This result shows that when the conventional simple metal / metal oxide mixture is used, the impedance is large at the low temperature of about 150 ° C. of the sensor electrode, and thus an error occurs. When the / metal oxide integrated composite is used, an error does not occur even at a temperature as low as 150 ° C., and thus it can be preferably used in all areas including a relatively low temperature range of a high temperature aqueous solution.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고온 pH 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템은 전자 전달을 원활하게 하여, 임피던스를 낯추어 빠른 전기화학반응을 유발함으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 150℃ 정도의 상대적으로 낮은 온도에서도 정확한 pH 측정이 가능한 수소이온 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템을 제공한다.The high temperature pH sensor electrode and the pH measurement system using the same according to the present invention configured as described above facilitates the electron transfer, causing a quick electrochemical reaction by reducing the impedance, so that a wide temperature range of the high temperature aqueous solution, in particular about 150 ℃ The present invention provides a hydrogen ion sensor electrode and a pH measurement system using the same, capable of accurate pH measurement even at relatively low temperatures.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100671113B1 (en) * | 2004-12-22 | 2007-01-17 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Impurity detection sensor |
| WO2013039858A3 (en) * | 2011-09-12 | 2013-06-27 | Nanoselect, Inc. | Carbon nanostructure electrochemical sensor and method |
| KR20200105028A (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 광운대학교 산학협력단 | zinc oxide pH sensing layers fabricated by spin coating |
Families Citing this family (9)
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| KR101996046B1 (en) * | 2017-10-13 | 2019-07-03 | 한림대학교 산학협력단 | Bio sensor kit for real-time monitoring of anticancer drug response |
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Cited By (3)
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| KR100671113B1 (en) * | 2004-12-22 | 2007-01-17 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Impurity detection sensor |
| WO2013039858A3 (en) * | 2011-09-12 | 2013-06-27 | Nanoselect, Inc. | Carbon nanostructure electrochemical sensor and method |
| KR20200105028A (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-07 | 광운대학교 산학협력단 | zinc oxide pH sensing layers fabricated by spin coating |
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