功能电极

    功能电极 : 利用 无机化合物、金属配位化合物、有机化合物、高 分子化合物及生物功能化合物可使过去的电极 “化合物化”,并赋予新的功能。这类的电极称为 功能电极。严格地区分功能是不可能的,但大体 可分为:①化学修改电极;②高分子涂布电极;③ 导电体化合物电极;④导电性薄膜电极;⑤离子 选择性电极;⑥生物功能电极;⑦光能变换电 极。原来只是作为电子流入或流出的电 极,经“化合物化”后,除原有性能外,同时具有 一些新的功能,如催化作用、选择性反应、固定 化酶、能量转换等功能,可用作敏感元件,类似 传感器。所谓化学修改电极,是1975年才引人 注目的,它是在过去的铂等金属电极,氧化钛 等金属氧化物电极、半导体电极和碳电极的表 面直接涂装一层有特定功能的化合物涂层,使 之发挥特定功能的一种电极。
使难溶(或不溶)物质附着在电极的表面的 方法有:①电极表面和功能化合物之间可利用 酰胺、硅氧烷、醚键等的共价键固定;②利用电 解析出或电解聚合物的产物,使之吸附在电极 表面;③气体蒸镀和等离子体放电聚合等。据报 道,在电极表面用卟啉钴络合物所修改的碳电 极,对于氧分子直接向水传递电子的还原反 应,其催化功能超过以往的铂电极。在电极表 面采用高分子化合物进行修改,1978年以来, 以美国为中心,进行了大量研究。用高分子化 合物粘接材料等多分子层的膜将电极表面覆 盖后,有效的活性中心以高密度的形式固定于 电极表面,使催化反应系统的有效性大大提 高。若用导电性高分子膜覆盖后,有可能实现 燃料电池用的新的电极催化剂,提高光电池的 光催化作用,防止电极表面的腐蚀和溶解,制 作新型传感元件、光电显示器等。例如若用高 分子将容易制成绝缘薄膜的半导体表面覆盖 起来,可长时间获得稳定的光电流,若用n型硅 的二茂铁系高分子覆盖、或用n型硅和砷化镓 的电解聚吡咯膜覆盖半导体表面都是有效的, 可以提高导电性及传质作用。有良导电性的化 合物均具备了用作导电性化合物电极的可能 性;但其中以金属氧化物电极希望最大。
所谓20世纪最大发明的“DSE”形(稳性电 极,dimensionally stableelectrode),就是以 贵金属覆盖的钛电极,是一种复合结构的氧 化物电极,是在钛基板上覆盖了一层钌氧化 物,将其用于碱的电解方面,即使产生氧和氯, 也是一种极耐消耗的阳极材料。若在派莱克 斯玻璃上镀上一层氧化锡,制成导电玻璃,其 导电性及耐药性非常优良,广泛用作过电压 高的透光性电极。将有机化合物或无机化合 物、有机高分子等导电性物质,直接用作电极 的试验正在进行。例如将TTF-TCNQ(四硫 呋喃-7,7,8,8-四氰喹啉二甲烷)的电荷传 递络合物制成片状固定起来,制成电极。将可 制薄膜的聚乙炔酯掺入到具有某种特性的半 导体中,可以改善半导体的性质,而用于太阳 能电池。分析化学用的功能电极,其代表物为 固体膜和液体膜型的离子选择性电极。采用 了难溶性无机盐的感应膜制成的氯离子及氟 离子传感元件、采用了聚四氟乙烯树脂薄膜 对氧分子的选择性透过制成的传感元件,以 及将离子交换诱导液贮存在多孔膜中制成的 电极等,用它们为电极,就能对许多无机离子、 有机化合物、气体等进行定量分析。在离子电 极中使高输入电阻的绝缘场效应晶体管前置 补偿器整体化,这种结构称为“离子敏感场效 应晶体管”(ISFET,Ion Sensitive Field Effect Transistor),这是一种新的离子传感元件, 这种元件已用于实际,可改善电极电阻、电极 微型化、高灵敏度化。这种传感元件也适用于 葡萄糖及NADH等生物物质。20世纪60年代初 期开始使用的酶电极,是以固定了酶的膜覆 盖于电极表面,使电化学测定的简便性与酶 反应基的特异功能相结合而组成的电极。在 膜中固定了作为分子识别功能物质的酶,就 成为酶传感元件;固定了抗体者,就成为免疫 传感元件;固定了生物组织的分子集合体者, 就成为生物体传感元件或微生物传感元件。 其中有的已用于医疗检验。关于能量转换功 能电极,已制成光电转换电极,如叶绿素和卟 啉电极等,可以将可见光直接转换为电能。这 对光合成反应初期过程的解释是有意义的。 关于利用太阳能的湿式电池,要求半导体电 极的转换率及稳定性高,多采用可充分吸收 可见光的半导体,禁带宽度为1～2eV,这就引 起电极的光化学不稳定、溶解、腐蚀等一系列 问题,若用金属或金属氧化物薄膜覆盖电极 表面,就获得很好的效果。功能电极广泛用于 能源、环境、医疗、化学反应、生物化学、粮食等 方面。