Thermodynamic Analysis of Solid Electrolyte $CO_2$ Sensor in Continuous and Discontinuous Flow Systems

연속 기체흐름계 및 일시 기체흐름계에서의 고체 전해질 $CO_2$ 가스센서의 열역학적 분석

Anodic half-reaction in the $Na^+$ ionic sensors using $Na_2CO_3$ and $MCO_3$ ($M=Cs_2,K_2,Li_2,Ca$) as a sensitive membrane is derived in continuous flow system to explain $CO_2$ sensing characteristics. For various gas-sensitive membranes, a well known overall reaction, $MCO_3\;=\;MO\;+\;CO_2$, cannot be applied for the EMF behaviors of these kinds of sensors. So, the anodic reaction is found to involve $Na_2CO_3$ and $M^{++}$-containing oxide phases by employing the ion exchange reaction at the interface of solid electrolyte and the sensitive membrane to maintain ionic balance in the whole cell. Based on the electrode reaction derived in flow system, differences of cell potentials between continuous and discontinuous flow systems were also discussed. These EMF differences were considerably caused by the partial pressures of oxygen and $CO_2$ as well as irreversible chemical reactions between electrode materials and $CO_2$ atmosphere.

연속 기체흐름계에서 감지막으로 $Na_2CO_3$와 $MCO_3$ ($M=Cs_2,K_2,Li_2,Ca$)를 입힌 $Na^+$ 이온 전해질 센서가 $CO_2$ 가스를 감지할 때 anode반응을 도출하였다. 흔히 사용되는 전기화학 센서에 대해 일반적으로 알려진 전체 전극반응인 $MCO_3=MO+CO_2$ 반응은 위의 $Na^+$이온 전해질 센서에는 적합한 반응이 아니었다. 따라서 anode 반응은 전체cell 내의 ionic balance를 유지하기 위해 전해질과 감지막 계면에 이온교환반응을 첨가시킴으로써 도출할 수 있었으며 anode반응은 $Na_2CO_3$ 및 감지막의 금속($M^{++}$) 이온이 포함된 산화물이 참가하는 반응임을 알 수 있었다. 이와 같이 도출된 전극반응으로부터 구한 EMF와 일시 기체흐름계에서의 출력 EMF와의 차이를 아울러 검토하였다. 이러한 출력에서의 차이는 $CO_2$와 $O_2$의 분압과 분위기가스와 전극물질과의 비가역반응에 기인됨을 알았다.