Difusión de oxígeno y reacción electroquímica: principio de funcionamiento del sensor de oxígeno

La difusión de oxígeno es el primer paso en el funcionamiento de sensores de oxígeno . En la estructura del sensor, las ventanas y cámaras de aire desempeñan un papel fundamental. Como portal para que el oxígeno ingrese al sensor, el diseño y la selección del material de la ventana de aire están directamente relacionados con la eficiencia de la difusión de oxígeno y la sensibilidad del sensor. Cuando el sensor se coloca en un ambiente que contiene oxígeno, las moléculas de oxígeno ingresan a la cámara de aire a través de la ventana de aire. Este proceso parece simple, pero en realidad implica complejos mecanismos físicos y químicos. Bajo la acción del gradiente de concentración, las moléculas de oxígeno penetran gradualmente en la cámara de aire mediante colisión mutua y difusión entre moléculas.

El diseño de la cámara de aire también es crucial. No solo garantiza que el oxígeno pueda entrar sin problemas, sino que también garantiza que el oxígeno pueda entrar en contacto total con los productos químicos dentro del sensor. Para lograr este objetivo, la cámara de aire suele diseñarse para que tenga una gran superficie y buena permeabilidad al gas. De esta manera, cuando el oxígeno ingresa a la cámara de aire, puede reaccionar rápidamente con los químicos en el sensor para prepararse para la reacción electroquímica posterior.

La reacción electroquímica es el segundo paso y el más crítico en el funcionamiento del sensor de oxígeno. En el núcleo del sensor de oxígeno el tubo cerámico desempeña un papel fundamental. El interior y el exterior del tubo cerámico están recubiertos con electrodos de platino, que son los principales lugares donde ocurren las reacciones electroquímicas. Cuando el oxígeno ingresa a la cámara de gas a través de difusión y entra en contacto con el electrodo de platino, las moléculas de oxígeno se combinan con los electrones bajo la acción catalítica del electrodo de platino para formar iones de oxígeno.

Este proceso de reacción parece simple, pero en realidad implica una compleja transferencia de electrones y la formación de enlaces químicos. Bajo la acción catalítica del electrodo de platino, la nube de electrones de la molécula de oxígeno se reorganiza para formar iones de oxígeno cargados negativamente. Estos iones de oxígeno migran a través de las vacantes de iones de oxígeno en el tubo cerámico bajo la acción del campo eléctrico. El tubo cerámico actúa como electrolito y las vacantes de iones de oxígeno en su interior proporcionan un canal para la migración de iones de oxígeno. Durante el proceso de migración, estos iones de oxígeno se combinan con los electrones del electrodo de platino al otro lado del tubo cerámico para formar moléculas de oxígeno y liberar energía.

Debido a la migración de iones de oxígeno en el tubo cerámico se genera una diferencia de potencial en ambos lados del tubo cerámico. Esta diferencia de potencial está estrechamente relacionada con la concentración de oxígeno y es un parámetro clave para que los sensores de oxígeno midan la concentración de oxígeno. Cuando cambia la concentración de oxígeno, la velocidad de difusión de oxígeno y la velocidad de reacción electroquímica cambiarán en consecuencia, lo que dará como resultado un cambio en la diferencia de potencial. Midiendo esta diferencia de potencial, se puede calcular con precisión la concentración de oxígeno.

El diseño y fabricación de sensores de oxígeno es un proceso muy complejo que involucra conocimientos de múltiples disciplinas como la ciencia de los materiales, la electroquímica y la física. Para garantizar la precisión y estabilidad del sensor, los fabricantes deben diseñar cuidadosamente y probar rigurosamente cada detalle del sensor. Desde el diseño estructural de la ventana de aire y la cámara de aire hasta la selección del material del tubo cerámico y el electrodo de platino, hasta la calibración y prueba del sensor, cada vínculo es crucial.

La difusión de oxígeno y la reacción electroquímica, como principios de funcionamiento básicos de los sensores de oxígeno, determinan conjuntamente el rendimiento y la precisión del sensor. En la ciencia, la tecnología y la industria modernas, los sensores de oxígeno desempeñan un papel cada vez más importante. Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología y la expansión continua de los campos de aplicación, el rendimiento de los sensores de oxígeno seguirá mejorando, aportando más comodidad y beneficios a la producción y la vida de las personas.