CN102928492B - 二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统 - Google Patents

Abstract

一种二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统：制备参数检测单元，位于制备参数检测单元顶部的降温照明装置，位于制备参数检测单元一侧用于向制备参数检测单元进行电极光电催化活性试验提供照明的高功率氙灯光源，与制备参数检测单元相连用于采集检测参数并根据检测参数对制备参数检测单元进行控制的制备参数测控单元，与制备参数检测单元相连用于采集电化学参数的电化学性能测试单元，以及分别与制备参数测控单元和电化学性能测试单元相连的上位机。本发明，提供一种批量制备二氧化钛纳米管阵列的自动化制备装置，该装置能成批量制备二氧化钛纳米管阵列，结构精巧严谨，自动化操作，能保证自组装二氧化钛纳米管的稳定生长。

Description

二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统

技术领域

本发明涉及一种自组装二氧化钛纳米管阵列的制备。特别是涉及一种具有高重复性稳定性的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统。

背景技术

二氧化钛作为一种无机光敏半导体材料，由于其无毒害、无污染、按照有序规整结构排列和大比表面积等特点，使其广泛应用于光电催化、染料敏化、太阳能电池、自清洁、光解水、储能、医用载药及人体工程材料等领域。制备自组装二氧化钛纳米管目前主要采用电化学阳极氧化法，一般采用两电极体系，阳极为钛箔板，阴极为铂电极，电解液采用含氟离子的水溶液或其他有机溶剂。在两极施加一定电压时，钛箔板被氧化形成管状无定形TiO₂阵列膜，经酒精洗脱后干燥热处理，即得到与基底垂直取向的自组装TiO₂纳米管材料。由梁砚琴、杨贤金、崔振铎等在201010278615.2的发明专利“二氧化钛纳米管掺杂磁性颗粒的合成方法”中提供一种上述的成本低、高效的自组装纳米管制备方法，该材料具有大比表面积，掺杂后具有导磁性，且并可表现出良好的光电活性，在许多领域有十分广阔的应用前景。但是目前纳米管材料的制备方法专利与文献中，普遍缺乏专业的技术装置保证自组装纳米管阵列所采用工艺技术的重复性和稳定性，基于此种情形所制备出的材料只具备科学发现的意义，缺乏严谨的偏差控制体系，制备器件受制备条件限制导致的个体偏离度过大，无法保证科学研究中所制备出的不同特性材料的统计学分析意义。也常出现在大批量制备试验过程中无法跟踪、记录制备过程，致使样品无法溯源的现象。目前，还未在报道中有专利和文献提出针对阳极氧化法制备TiO₂自组装纳米管阵列结构的生长机制、形貌结构参数（如纳米管直径、壁厚以及管长等）控制以及应用问题，通过机械、电子及微机控制技术，以自动化仪器装置支持制备自组装TiO₂纳米管阵列的制造工艺。

影响自组装TiO₂纳米管制备的主要工艺参数有电解液组成、pH值参数、阳极电压、氧化时间、电极位置参数、电极反应面积参数等。

1、电解液浓度及酸碱度成分的影响

电解液的组成和浓度对TiO₂自组装纳米管阵列形貌结构有重要影响，目前所使用的电解液可分为HF水和电解液及含氟离子的有机电解液。含氟离子的有机电解液中制备的TiO₂纳米管的生长速率和长径比远大于HF水和电解液中制备的纳米管，而且有机电解液更容易制备出管长较长的纳米管。但在实际制备过程中，由于实验环境条件不同及制备时间不同，电解液在制备过程中会因为吸入空气中的水气或因缓慢蒸发等因素，造成过程中电解液浓度及酸碱度与最初预设工艺参数不符，造成制备电解液条件不稳定不可控。目前，未见相关报道说明了如何在制备过程中监控电解液浓度与酸碱度变化，电化学离子选择性电极与PH电极在电极通电时受到溶液中极板电势分布影响的问题的解决也未见说明。此外电解液中的有机试剂与离子选择性电极相互作用也会影响读数准确性。以上种种问题均对制备过程中的电解液工艺控制造成影响。

2、阳极电压

电化学反应中所加阳极氧化电压可使体系获得反应驱动力，促使电解液中离子的迁移，维持反应进程。针对无机和有机相设置电压相对控制范围较宽，且控制的精度要求较高，除此之外，阳极电压源应考虑到制备中电弧击穿实验的要求，输出电流上限要较高。由于电压施加方式对TiO₂纳米管阵列的形貌也有影响，阳极电压源应程序可控，除提供恒定电压模式外，还应具有阶跃脉冲电压施加模式，恒定电流模式，阶跃电流模式等，以便用户能制备出相应阳极电压工艺参数下的TiO₂纳米管阵列结构。

3、氧化时间

阳极氧化时间对自组装TiO2纳米管管长影响较大，对表面形貌也有一定影响。但在实际制备中，尤其是使用有机相电解液制备中，由于阳极氧化速度一直略大于化学刻蚀速率，纳米管的管长会一直处于速率较慢但较为稳定的较长的增长期，因此为得到长径比较大的自组装TiO₂纳米管，反应时间通常是几小时甚至几天，且在反应过程完成后，极片应立即脱离反应电解液用酒精洗脱并干燥，避免制备好的纳米管被电解液再次溶解。目前还未有报道无人值守的制备系统出现，科研人员要采取手工方式进行值守与计时，既带来极大的身心疲劳负担，也使制备工艺中的时间参数难于精准控制。

4、电极位置与反应面积参数

电极位置主要分为阳极与阴极之间的水平间距与固定宽度的极片浸没入液面下的长度。同样的阳极电压或电流条件下，如果电极相对位置不同，会造成电流密度、溶液中电势及电场分布、局部电解液浓度分布的条件不一致，同样会对试验制备工艺引入不可控的因素。控制浸没入液面下的电极深度，既关系到电极有效解除位置，也决定了参与制备反应的极片表面积。由于钛金属电极氧化电位较高，如果体系内存在其他氧化电位较低的金属参与反应，则会导致钛金属不能按照试验预期参与纳米管制备过程，在201120063428.2的专利中指出了馈电接点被电解液腐蚀现象的存在，且由于电解液配制的体积每次不同，导致液面高度也不同，仅靠人工目视定位经常会出现浸没过浅浪费钛金属电极材料，浸没过深导致钛金属与馈电线缆接触部分被腐蚀，目前还未有所研制的自动化制备装置应用于电极浸没深度自动定位的报道。

5、制备评测

TiO₂纳米管制备完成后，实际性能效果评测一般采用电镜进行表面观察，测量纳米管生长长度、壁厚、管径及排列等多方面物理学信息，同时为评测制备后纳米管阵列电化学性能，还需通过电化学工作站进行三电极体系下的电化学性能测试。以上测试工作操作较为繁琐，且面对批量制备的纳米管阵列样品，往往给研究人员带来巨大的工作量压力且容易造成试验批次及样品编号管理失误，难于进行试验数据科学统计分析。

6、温度控制及光学联用

制备自组装二氧化钛纳米管随着反应体系以及制备要求不同，需要制备环境条件应能实时稳定在一个确定的温度区间内。通常要求电解液体系在0-70摄氏度温度范围内精确可控，既要及时散热避免所产生的热量堆积，防止电解液温度过高破坏TiO₂纳米管的生长平衡，也要应对在有温度加热需求下，溶液可任意升温以适应纳米管制备，并且在反应过程中，温度能动态精密调节。同时在光电池纳米管材料制备中，要求氙灯光源在制备中实时照射电极表面，使其处于光催化条件下参与反应，因此又对加热方式提出新的要求，传统水浴方式由于其封闭加热的物理结构将不能适应光学联用的制备要求。

以上几方面问题涉及到TiO₂纳米管阵列制备工艺的核心问题，导致批量精密制备和测试TiO₂纳米管阵列操作不便、不易控制等系列问题，形成技术瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能成批量制备自组装二氧化钛纳米管阵列的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统。

本发明所采用的技术方案是：一种二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，包括：制备参数检测单元，位于制备参数检测单元顶部的用于为制备参数检测单元内部提供排风的通风照明装置，位于制备参数检测单元一侧用于向制备参数检测单元进行电极光电催化活性试验提供照明的高功率氙灯光源，与所述的制备参数检测单元相连用于采集检测参数并根据检测参数对制备参数检测单元进行控制的制备参数测控单元，与所述的制备参数检测单元相连用于采集电化学参数的电化学性能测试单元，以及分别与制备参数测控单元和电化学性能测试单元相连的上位机。

所述的制备参数检测单元包括柜体，设置在柜体内后侧的支架，设置在支架上端的背板，对称的设置在支架前面两侧的两个电解池支架，位于两个电解池支架上的用于对电解池位置进行手动微调的手动微调移动板，安装在手动微调移动板上的电解池装置，所述的背板的顶端固定设置有垂直电机，所述的垂直电机的输出轴贯穿支撑板的顶端连接位于背板前侧的垂直传动丝杠，所述的垂直传动丝杠上设置有在垂直传动丝杠旋转时沿垂直传动丝杠上下移动的对电解池装置内的液体进行检测的检测装置，所述的柜体的侧面板上在与所述的电解池装置相对应处开有用于接收所述光源提供的光源的光源入口。

所述的电解池装置包括有：设置在手动微调移动板上面的磁力搅拌装置、设置在磁力搅拌装置上面的溶液池、设置于溶液池外部左侧面板或右侧面板上的制冷装置以及分别设置在溶液池外部前侧面板和后侧面板上的加热装置；所述的两个电解池支架上相对应的设置有导轨/导轨槽，所述的手动微调移动板的底面设置有可沿电解池支架上的导轨/导轨槽移动的导轨槽/导轨。

所述的加热装置包括：依次设置的外铝板、加热硅胶板、隔热棉、内铝板和金属背板，所述的外铝板、加热硅胶板、隔热棉、内铝板和金属背板的四个端角和中部均对应开有通孔，所述的内铝板的四个端角和金属背板的四个端角之间对应设置有弹簧，所述的外铝板、加热硅胶板、隔热棉、内铝板、弹簧和金属背板通过螺栓依次贯穿所述的通孔及弹簧与位于金属背板另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属背板的下端设置有支撑杆，所述的加热装置通过所述的支撑杆设置在所述的手动微调移动板的上面，其中，所述的外铝板紧贴所述的溶液池。

所述的制冷装置包括：依次设置的铝板、散热片和金属框架，以及嵌入在金属框架中部的散热风扇，所述的铝板的四个端角向外凸出的设置有连接孔，所述的金属框架的四个端角上设置有与所述的铝板上的连接孔相对应的通孔，所述的铝板的四个端角和金属框架的四个端角之间对应设置有弹簧，所述的铝板、弹簧和金属框架通过螺栓依次贯穿所述的连接孔、弹簧和通孔与位于金属框架另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属框架的下端设置有支撑杆，所述的制冷装置通过所述的支撑杆设置在所述的手动微调移动板的上面，其中，所述的铝板紧贴所述的溶液池。

所述的检测装置包括有与所述的垂直传动丝杠相连的垂直运动机构，设置在垂直运动机构上并沿垂直运动机构移动的水平运动机构，分别连接在垂直运动机构上的工作电极支架、设置有参比电极的参比电极支架和设置有pH监测探头的pH监测探头固定装置，连接在水平运动机构上的辅助电极支架，其中，所述的垂直运动机构包括有连接在垂直传动丝杠上并沿垂直传动丝杠上下移动的工字架，以及位于垂直传动丝杠两侧并且上下两端固定在背板上的用于限定工字架移动方向的两个导轨，工字架的上下两个横架的前侧面上分别设置有多个插入孔，所述的工作电极支架可选择的固定连接在工字架的插入孔上，所述的参比电极支架和pH监测探头固定装置可选择的插入到工字架的插入孔内，所述的垂直运动机构在距背板顶端10mm处，设置触点式限位开关，水平运动机构在距工字架中的水平导轨右端10mm处，设置触点式限位开关。

所述的水平运动机构包括有设置在所述的工字架的上下两个横架内并沿所述的上下两个横架水平移动的滑块，以及设置在所述的工字架的上下两个横架内的水平电机，所述的水平电机的输出轴连接一水平传动丝杠，水平传动丝杠贯穿滑块，所述的滑块在水平传动丝杠旋转时沿水平传动丝杠和工字架的上下两个横架水平移动，所述的辅助电极支架固定在所述的滑块上。

所述的工作电极支架上分别设置有温度监控探头、液面寻找装置和工作电极，其中，所述的液面寻找装置包括有不锈钢管，固定在不锈钢管下端的可伸缩镀金探头，与所述的镀金探头相连并从不锈钢管上端伸出的用于与制备参数测控单元相连的信号线；所述的工作电极包括有电极杆，所述的电极杆的下端开有用于连接电极片的凹槽，电极杆的上端形成有用于通过导电夹选择性的连接制备参数测控单元和电化学性能测试单元的衔接头。

所述的pH监测探头固定装置包括有用于设置pH监测探头的套筒和分别设置在所述套筒外侧面上、下部分的两个支撑杆，所述的两个支撑杆的端部固定连接的用于插入工字架上的插入孔内的香蕉头；所述的参比电极支架为倒F型结构，所述倒F型结构的两个水平架上同轴的设置有用于固定参比电极的过孔，所述倒F型结构的垂直架上在远离水平架的那一侧面的上、下部分对称的设置两个支撑杆，所述的两个支撑杆的端部固定连接的用于插入工字架上的插入孔内的香蕉头。

所述的制备参数测控单元包括有：与上位机相连接的单片机和稳压电源模块，分别与单片机相连的PID恒温调节模块、pH采集模块、驱动器和继电器，其中，所述的PID恒温调节模块的控制指令输入端连接单片机的信号输出端，恒温控制输出端连接设置在制备参数检测单元的柜体中的加热装置和制冷装置，数据采集端连接设置在制备参数检测单元的柜体中的温度监控探头，数据输出端连接单片机的信号输入端；所述的pH采集模块的数据采集端连接设置在制备参数检测单元的柜体中的pH监测探头的信号输出端，数据输出端连接单片机的信号输入端；所述的驱动器的信号输入端连接单片机的信号输出端，输出端连接垂直电机和水平电机；继电器的信号输入端连接单片机的信号输出端，输出端连接磁力搅拌装置；所述的稳压电源模块的控制指令端连接上位机的信号输出端，数据输出端连接上位机的信号输入端，数据采集端和电压输出端分别连接设置在制备参数检测单元的柜体中的工作电极、参比电极和辅助电极。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的制备参数检测单元整体结构示意图；

图3是本发明的电解池装置整体结构示意图；

图4是电解池装置中加热装置的结构示意图；

图5是电解池装置中制冷装置的结构示意图；

图6是本发明的制备参数检测单元中三种电极设置的结构示意图；

图7是本发明的制备参数检测单元中水平移动和垂直移动的结构示意图；

图8是本发明的制备参数检测单元中pH监测探头设置的结构示意图；

图9是本发明的制备参数检测单元中液面自动寻找装置的结构示意图；

图10是本发明的制备参数检测单元中工作电极的结构示意图；

图11是本发明的制备参数检测单元中pH探头固定架的结构示意图；

图12是本发明的制备参数检测单元中参比电极支架的结构示意图；

图13是本发明的制备参数检测单元中溶液池的结构示意图；

图14是本发明的制备参数检测单元中溶液池的另一结构示意图；

图15是本发明的制备参数检测单元中制备参数测控单元的构成框图；

图中

1：制备参数检测单元    2：通风照明装置

3：光源                4：制备参数测控单元

5：电化学性能测试单元  6：上位机

7：柜体                8：支架

9：背板                10：电解池支架

11：手动微调移动板     12：电解池装置

13：垂直电机           14：垂直传动丝杠

15：检测装置           16：光源入口

17：溶液池             18：磁力搅拌装置

19：加热装置           20：制冷装置

21：外铝板             22：加热硅胶板

23：隔热棉             24：内铝板

25：金属背板           26：弹簧

27：通孔            28：螺栓

29：支撑杆          30：铝板

31：散热片          32：金属框架

33：散热风扇        34：弹簧

35：螺栓            36：支撑杆

37：连接孔          38：通孔

39：工作电极支架    40：辅助电极支架

41：参比电极支架    42：工字架

43：导轨            44：插入孔

45：滑块            46：水平电机

47：水平传动丝杠    48：pH监测探头固定装置

49：温度监控探头    50：液面自动寻找装置

51：工作电极        52：参比电极

53：辅助电极        54：不锈钢管

55：镀金探头        56：信号线

57：电极杆          58：凹槽

59：衔接头          60：套筒

61：pH监测探头      62：支撑杆

63：香蕉头          64：过孔

65：支撑杆          66：香蕉头

67：单片机          68：pH采集模块

69：PID恒温调节模块 70：稳压电源模块

71：驱动器          72：继电器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统做出详细说明。

本发明的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，用于在纳米管阵列制备过程中精密调控制备时的温度参数、电解液浓度与酸碱度参数、制备电极极片间距离参数、电极反应面积参数及制备电压电流等参数，使每一次制备过程中同等条件下所生成的纳米管阵列长度、管径、管壁厚度等规格参数精密可控并具有较高的重复性和稳定性。本发明的钛合金纳米管材料制备完成后，不需要改变试验条件，只需更换电化学测试溶液，将原辅助电极，工作电极，以及附带的参比电极进行原位测试，评价制备后的电化学测试情况。本发明不仅可通过手动完成，也可以通过上位机软件自动控制，建立了一套纳米管材料制备及原位测试标准方法的标准操作流程，并通过软件程序及自动化技术实现。

如图1所示，本发明的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，包括：制备参数检测单元1，位于制备参数检测单元1顶部的用于向制备参数检测单元1内部提供排风和照明的通风照明装置2，位于制备参数检测单元1一侧用于为制备二氧化钛纳米管提供催化的光源3，与所述的制备参数检测单元1相连用于采集检测参数并根据检测参数对制备参数检测单元1进行控制的制备参数测控单元4，与所述的制备参数检测单元1相连用于采集电化学参数的电化学性能测试单元5，以及分别与制备参数测控单元4和电化学性能测试单元5相连的上位机6。

如图2所示，所述的制备参数检测单元1包括柜体7，设置在柜体7内后侧的支架8，设置在支架8上端的背板9，对称的设置在支架8前面两侧的两个电解池支架10，位于两个电解池支架10上的用于对电解池位置进行手动微调的手动微调移动板11，安装在手动微调移动板11上的电解池装置12，所述的支架8的顶端固定设置有垂直电机13，所述的垂直电机13的输出轴贯穿支撑板的顶端连接位于背板9前侧的垂直传动丝杠14，所述的垂直传动丝杠14上设置有在垂直传动丝杠14旋转时沿垂直传动丝杠14上下移动的对电解池装置12内的液体进行检测的检测装置15，所述的柜体7的侧面板上在与所述的电解池装置12相对应处开有用于接收所述光源3提供的光源的光源入口16。所述的光源3选用solar系列氙灯光源。

所述的两个电解池支架10上相对应的设置有导轨/导轨槽，所述的手动微调移动板11的底面设置有可沿电解池支架10上的导轨/导轨槽移动的导轨槽/导轨。

如图3所示，所述的电解池装置12包括有：设置在手动微调移动板11上面的磁力搅拌装置18、设置在磁力搅拌装置18上面的溶液池17、设置于溶液池17外部左侧面板或右侧面板上的制冷装置20以及分别设置在溶液池17外部前侧面板和后侧面板上的加热装置19。

恒温耐氢氟酸的溶液池17，体积在160mm×108mm×61mm范围内，溶液池17以硼硅酸玻璃及316L不锈钢为基体材料，加热至250摄氏度后，内表面经四氟乙烯喷涂处理(基体材料经表面喷砂、四氟乙烯在300摄氏度状态下喷浆，冷却)，溶液池17可以耐受氢氟酸及强酸强碱腐蚀，同时硼硅酸材质本身确定了其可以温度耐受能力，按照设计要求可以加热至400度，使用寿命长，体积小巧可节省试验电解液，同时也适用于制备自组装二氧化钛纳米管过程中与氙灯光源联用研究试验，且可用于小容积带电溶液中实时在线监测pH指标需求的试验。

溶液池17的如图13、图14所示，有如图13所示的矩形结构，也有图14所示的倒凸形的结构。

恒温耐氢氟酸的溶液池17设计为三种方式：第一种为硼硅酸材质，内表面经四氟乙烯喷涂处理(四氟乙烯在熔融状态下喷砂，喷浆，冷却)，可以耐受氢氟酸及强酸强碱腐蚀，同时硼硅酸材质本身确定了其可以温度耐受能力，按照设计要求可以加热至400度，使用寿命长，体积小巧可节省试验电解液，低膨胀率、耐高温、高强度、高硬度、高透光率和高化学稳定性的特殊玻璃材料。第二种为硼硅酸材质，大小为160mm×108mm×61mm，不经四氟涂层处理，同样可以按设计要求耐受温度400摄氏度及温差120摄氏度，该材质为透明材质，且硼硅酸玻璃纤维用于光纤传导性能稳定，可见光波段透光率达到92%，此光学池材料特别适用于制备自组装二氧化钛纳米管过程中与氙灯光源联用研究试验，用于材料光电催化活性研究。第三种为电解池基体为不锈钢材质，其内壁喷涂聚四氟乙烯涂层，其导热散热性能良好，且结构设计如下图，适合实时监测pH需求的试验设计。

设有恒温耐氢氟酸溶液池17通过手动微调移动板11及加热装置19动作定位配合链接，两个电解池支架10和手动微调移动板11可配合光源入口16调节氙灯辐射界面及照度，保证纳米管制备过程中光电催化活性研究的灵活性。

如图4所示，所述的加热装置19包括：依次设置的外铝板21、加热硅胶板22、隔热棉23、内铝板24和金属背板25，所述的外铝板21、加热硅胶板22、隔热棉23、内铝板24和金属背板25的四个端角和中部均对应开有通孔27，所述的内铝板24的四个端角和金属背板25的四个端角之间对应设置有弹簧26，所述的外铝板21、加热硅胶板22、隔热棉23、内铝板24、弹簧26和金属背板25通过螺栓28依次贯穿所述的通孔27及弹簧26与位于金属背板25另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属背板25的下端设置有支撑杆29，所述的加热装置19通过所述的支撑杆29设置在所述的手动微调移动板11的上面，其中，所述的外铝板21紧贴所述的溶液池17，弹簧26使加热装置19具有一定弹性，可与溶液池17的侧壁（为15度斜面）紧密贴合，既保证溶液池17定位稳固，同时保证热量顺畅传导。

如图5所示，所述的制冷装置20包括：依次设置的铝板30、散热片31和金属框架32，以及嵌入在金属框架32中部的散热风扇33，所述的铝板30的四个端角向外凸出的设置有连接孔37，所述的金属框架32的四个端角上设置有与所述的铝板30上的连接孔37相对应的通孔38，所述的铝板30的四个端角和金属框架32的四个端角之间对应设置有弹簧34，所述的铝板30、弹簧34和金属框架31通过螺栓35依次贯穿所述的连接孔37、弹簧34和通孔38与位于金属框架32另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属框架31的下端设置有支撑杆36，所述的制冷装置20通过所述的支撑杆36设置在所述的手动微调移动板11的上面，其中，所述的铝板30紧贴所述的溶液池17，弹簧34使制冷装置20具有一定弹性，可与溶液池17的侧壁紧密贴合，既保证溶液池17定位稳固，同时保证散热。制冷装置20较为顺畅的为电解液制冷，带走电解过程中散发出的大量热量。制冷器散热片所放出的热量由设备内部风流导热通道导出，不会导致热量积聚，制冷装置可以使电解液温度最低达到0度。

如上所述，在加热装置19和制冷装置20上设置弹性贴合结构，即设置有弹簧，在溶液池17放置如工作位置后，即可依靠溶液池17与电解液自身重力作用与加热装置19和制冷装置20紧密贴合，使溶液池17自动到达定位点并稳固，加热装置19与恒温耐氢氟酸溶液池17具有良好的传热导热通路，能够精密调节溶液池17内电解液反应温度，为制备过程提供精确温度条件，本实施例中的磁力搅拌装置18是采用上海三信901型产品，可以使电解液温度均匀性进一步提高。

如图2、图6、图7、图8所示，所述的检测装置15包括有与所述的垂直传动丝杠14相连的垂直运动机构，设置在垂直运动机构上并沿垂直运动机构移动的水平运动机构，分别连接在垂直运动机构上的工作电极支架39、设置有参比电极52的参比电极支架41和设置有pH监测探头60的pH监测探头固定装置48，连接在水平运动机构上的用于设置辅助电极53的辅助电极支架40，其中，所述的垂直运动机构包括有连接在垂直传动丝杠14上并沿垂直传动丝杠14上下移动的工字架42，以及位于垂直传动丝杠14两侧并且上下两端固定在背板9上的用于限定工字架42移动方向的两个导轨43，工字架42的上下两个横架的前侧面上分别设置有多个插入孔44，所述的工作电极支架39可选择的固定连接在工字架42的插入孔44上，所述的参比电极支架41和pH监测探头固定装置48可选择的插入到工字架42的插入孔44内。

垂直运动机构，表面经四氟乙烯涂层处理，可有效防止长期接触强酸或强碱溶液蒸汽所造成的腐蚀，垂直运动机构的两个导轨43及直径18mm的垂直传动丝杠14有效保证其连带的水平运动机构在抬升下降过程中不会产生大幅晃动及同步偏差，垂直传动丝杠14上端的垂直电机13为步进电机，步进电机转轴通过与直径18mm的垂直传动丝杠14通过酚醛树脂防滑垫片紧固，以保证垂直传动丝杠14与主轴不会因及导轨附件过重下滑。

如图2、图6、图7所示，所述的水平运动机构的表面同样经四氟乙烯涂层处理，防止被腐蚀。水平运动机构包括有设置在所述的工字架42的上下两个横架内并沿所述的上下两个横架水平移动的滑块45，以及设置在所述的工字架42的上下两个横架内的水平电机46，所述的水平电机46的输出轴连接一直径18mm的水平传动丝杠47，水平传动丝杠47贯穿滑块44，所述的滑块44在水平传动丝杠47旋转时沿水平传动丝杠47和工字架42的上下两个横架水平移动，所述的辅助电极支架40固定在所述的滑块44上。

工作过程中水平运动机构带动参比电极精确控制水平位移量，调节制备时所需要工作电极与辅助电极相对距离，垂直运动机构带动整个电极支撑体系，调节所有参比电极及测试传感器的垂直位置。所述的垂直运动机构在距背板9顶端10mm处，设置触点式限位开关，水平运动机构在距工字架42内的水平导轨右端10mm处，设置触点式限位开关。限位开关具有50000次重复使用特性，且动作行程偏差为0.01mm，为整个二维机械运动定位装置提供垂直及水平方向复位原点的参考体系。

如图2、图6、图9所示，所述的工作电极支架39同时多预留两组同心圆孔，即，工作电极支架39上分别设置有温度监控探头49、液面自动寻找装置50和工作电极51，其中，所述的液面自动寻找装置50包括有不锈钢管54，固定在不锈钢管54下端的可伸缩的镀金探头55，与所述的镀金探头55相连并从不锈钢管54上端伸出的用于与制备参数测控单元4的信号端子相连的信号线56，镀金探头55具有一定可伸缩性保证了接触硬质面，镀金探头55可通过自身弹性进行自我保护，表面镀金使镀金探头55接触液面导电性能更好，且镀金表面具有较高反应电位，不易被电解液腐蚀，保证探头寿命。本发明的镀金探头55在电解池较小的液面检测场合，采用电子导通测量方式进行液面测量跟踪，以简单易行的原理及技术方式达到与其他类型较为复杂的液面检测传感器同样的技术规格及使用功能。

所述的工作电极51包括有电极杆57，所述的电极杆57的下端开有用于连接电极片的凹槽58，电极杆57的上端形成有用于通过导电夹选择性的连接制备参数测控单元4和电化学性能测试单元5的衔接头59。

温度监控探头49，是在普通PT100铂电阻温度探头及其包覆不锈钢导热套的外层套接一层厚度为0.2mm的四氟乙烯薄膜管，并用注射针头将导热硅脂填充在不锈钢导热套与四氟乙烯薄膜管之间，取代由于空气占据空间可能导致的导热不良，及测温滞后问题，通过该方法既克服了电解液带电与测温探头绝缘问题，保证测试模拟量准确性，又解决了传感器不锈钢护套接触强酸或强碱的被腐蚀问题，同时由试验不同厚度的薄膜，采用最优封装工艺及硅脂填充，解决了温度传感核心部件测量温度滞后、不准确及导热慢等问题，达到了较好的使用效果。

参比电极采用232型饱和甘汞电极，辅助电极采用市场上出售的铂电极，直径小于8mm的都可以使用。

上述的参比电极52、pH监测探头60、辅助电极53、温度监控探头49、液面自动寻找装置50和工作电极51三电极体系及传感器支撑装置安装在等间隔排列定位开孔，各电极及传感器装置可按照制备试验及电化学测试随意定位反应测试位置。

上述的工作电极支架39和辅助电极支架40均采用T字形的结构。

如图2、图8、图11所示，所述的pH监测探头固定套48包括有用于设置pH监测探头61的套筒60和分别设置在所述套筒60外侧面上、下部分的两个支撑杆62，所述的两个支撑杆62的端部固定连接的用于插入工字架42上的插入孔44内的香蕉头63。

如图2、图6、图8、图12所示，所述的参比电极支架41为倒F型结构，所述倒F型结构的两个水平架上同轴的设置有用于固定参比电极51的过孔64，所述倒F型结构的垂直架上在远离水平架的那一侧面的上、下部分对称的设置两个支撑杆65，所述的两个支撑杆65的端部固定连接的用于插入工字架42上的插入孔44内的香蕉头66。

如图15所示，所述的制备参数测控单元4包括有：与计算机构成的上位机通过USB接口相连接的单片机67和稳压电源模块70，分别与单片机67相连的PID恒温调节模块69、pH采集模块68、驱动器71和继电器72，其中，所述的单片机采用型号为LPC1768的单片机。所述的PID恒温调节模块69的控制指令输入端通过RS-232连接单片机67的信号输出端，恒温控制输出端连接设置在制备参数检测单元1的柜体7中的加热装置19和制冷装置20，数据采集端连接设置在制备参数检测单元1的柜体7中的温度监控探头49，数据输出端通过RS-232连接单片机67的信号输入端；所述的pH采集模块68的型号为BPH-200B，测量范围为0～14.00pH（分度值0.01pH）。所述的pH采集模块68的数据采集端连接设置在制备参数检测单元1的柜体7中的pH监测探头61的信号输出端，数据输出端通过RS-232连接单片机67的信号输入端；所述的驱动器71的信号输入端通过RS-232连接单片机67的信号输出端，输出端连接垂直电机13和水平电机46；继电器72的信号输入端通过RS-232连接单片机67的信号输出端，输出端连接磁力搅拌装置18；所述的稳压电源模块70的控制指令端连通过USB接口接上位机6的信号输出端，数据输出端通过USB接口连接上位机6的信号输入端，数据采集端和电压输出端分别连接设置在制备参数检测单元1的柜体7中的工作电极51、参比电极52和辅助电极53。所述的稳压电源模块70的型号为P6100，设计工作范围：0℃-70℃，通过PID调节，控制加热装置和冷却装置的工作状态，使实验溶液能够处于恒温状态。

Claims (2)

1.一种二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，包括：制备参数检测单元（1），位于制备参数检测单元（1）顶部的用于为制备参数检测单元（1）内部提供散热的降温照明装置（2），位于制备参数检测单元（1）一侧用于向制备参数检测单元（1）进行电极光电催化活性试验提供照明的高功率氙灯光源（3），与所述的制备参数检测单元（1）相连用于采集检测参数并根据检测参数对制备参数检测单元（1）进行控制的制备参数测控单元（4），与所述的制备参数检测单元（1）相连用于采集电化学参数的电化学性能测试单元（5），以及分别与制备参数测控单元（4）和电化学性能测试单元（5）相连的上位机（6）；

所述的制备参数检测单元（1）包括柜体（7），设置在柜体（7）内后侧的支架（8），设置在支架（8）上端的背板（9），对称的设置在支架（8）前面两侧的两个电解池支架（10），位于两个电解池支架（10）上的用于对电解池位置进行手动微调的手动微调移动板（11），安装在手动微调移动板（11）上的电解池装置（12），所述的支架（8）的顶端固定设置有垂直电机（13），所述的垂直电机（13）的输出轴贯穿支撑板的顶端连接位于背板（9）前侧的垂直传动丝杠（14），所述的垂直传动丝杠（14）上设置有在垂直传动丝杠（14）旋转时沿垂直传动丝杠（14）上下移动的对电解池装置（12）内的液体进行检测的检测装置（15），所述的柜体（7）的侧面板上在与所述的电解池装置（12）相对应处开有用于接收所述光源（3）提供的光源的光源入口（16）；

所述的检测装置（15）包括有与所述的垂直传动丝杠（14）相连的垂直运动机构，设置在垂直运动机构上并沿垂直运动机构移动的水平运动机构，分别连接在垂直运动机构上的工作电极支架（39）、设置有参比电极（52）的参比电极支架（41）和设置有pH监测探头（61）的pH监测探头固定装置（48），连接在水平运动机构上的辅助电极支架（40），其中，所述的垂直运动机构包括有连接在垂直传动丝杠（14）上并沿垂直传动丝杠（14）上下移动的工字架（42），以及位于垂直传动丝杠（14）两侧并且上下两端固定在背板（9）上的用于限定工字架（42）移动方向的两个导轨（43），工字架（42）的上下两个横架的前侧面上分别设置有多个插入孔（44），所述的工作电极支架（39）可选择的固定连接在工字架（42）的插入孔（44）上，所述的参比电极支架（41）和pH监测探头固定装置（48）可选择的插入到工字架（42）的插入孔（44）内，所述的垂直运动机构在距背板（9）顶端10mm处，设置触点式限位开关，水平运动机构在距工字架（42）中的水平导轨右端10mm处，设置触点式限位开关；

所述的工作电极支架（39）上分别设置有温度监控探头（49）、液面寻找装置（50）和工作电极（51），其中，所述的液面寻找装置（50）包括有不锈钢管（54），固定在不锈钢管（54）下端的可伸缩镀金探头（55），与所述的镀金探头（55）相连并从不锈钢管（54）上端伸出的用于与制备参数测控单元（4）相连的信号线（56）；所述的工作电极（51）包括有电极杆（57），所述的电极杆（57）的下端开有用于连接电极片的凹槽（58），电极杆（57）的上端形成有用于通过导电夹选择性的连接制备参数测控单元（4）和电化学性能测试单元（5）的衔接头（59）；

所述的制备参数测控单元（4）包括有：与上位机（6）相连接的单片机（67）和稳压电源模块（70），分别与单片机（67）相连的PID恒温调节模块（69）、pH采集模块（68）、驱动器（71）和继电器（72），其中，所述的PID恒温调节模块（69）的控制指令输入端连接单片机（67）的信号输出端，恒温控制输出端连接设置在制备参数检测单元（1）的柜体（7）中的加热装置（19）和制冷装置（20），数据采集端连接设置在制备参数检测单元（1）的柜体（7）中的温度监控探头（49），数据输出端连接单片机（67）的信号输入端；所述的pH采集模块（68）的数据采集端连接设置在制备参数检测单元（1）的柜体（7）中的pH监测探头（61）的信号输出端，数据输出端连接单片机（67）的信号输入端；所述的驱动器（71）的信号输入端连接单片机（67）的信号输出端，输出端连接垂直电机（13）和水平电机（46）；继电器（72）的信号输入端连接单片机（67）的信号输出端，输出端连接磁力搅拌装置（18）；所述的稳压电源模块（70）的控制指令端连接上位机（6）的信号输出端，数据输出端连接上位机（6）的信号输入端，数据采集端和电压输出端分别连接设置在制备参数检测单元（1）的柜体（7）中的工作电极（51）、参比电极（52）和辅助电极（53）。

2.根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，所述的电解池装置（12）包括有：设置在手动微调移动板（11）上面的磁力搅拌装置（18）、设置在磁力搅拌装置（18）上面的溶液池（17）、设置于溶液池（17）外部左侧面板或右侧面板上的制冷装置（20）以及分别设置在溶液池（17）外部前侧面板和后侧面板上的加热装置（19）；所述的两个电解池支架（10）上相对应的设置有导轨/导轨槽，所述的手动微调移动板（11）的底面设置有可沿电解池支架（10）上的导轨/导轨槽移动的导轨槽/导轨。

3．根据权利要求2所述的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，所述的加热装置（19）包括：依次设置的外铝板（21）、加热硅胶板（22）、隔热棉（23）、内铝板（24）和金属背板（25），所述的外铝板（21）、加热硅胶板（22）、隔热棉（23）、内铝板（24）和金属背板（25）的四个端角和中部均对应开有通孔（27），所述的内铝板（24）的四个端角和金属背板（25）的四个端角之间对应设置有弹簧（25），所述的外铝板（21）、加热硅胶板（22）、隔热棉（23）、内铝板（24）、弹簧（25）和金属背板（25）通过螺栓（28）依次贯穿所述的通孔（27）及弹簧（25）与位于金属背板（25）另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属背板（25）的下端设置有支撑杆（29），所述的加热装置（19）通过所述的支撑杆（29）设置在所述的手动微调移动板（11）的上面，其中，所述的外铝板（21）紧贴所述的溶液池（17）。

4．根据权利要求2所述的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，所述的制冷装置（20）包括：依次设置的铝板（30）、散热片（31）和金属框架（32），以及嵌入在金属框架（32）中部的散热风扇（33），所述的铝板（30）的四个端角向外凸出的设置有连接孔（37），所述的金属框架（32）的四个端角上设置有与所述的铝板（30）上的连接孔（37）相对应的通孔（38），所述的铝板（30）的四个端角和金属框架（32）的四个端角之间对应设置有弹簧（34），所述的铝板（30）、弹簧（34）和金属框架（32）通过螺栓（35）依次贯穿所述的连接孔（37）、弹簧（34）和通孔（38）与位于金属框架（31）另一侧面的螺母相连而相互连接，所述的金属框架（31）的下端设置有支撑杆（36），所述的制冷装置（20）通过所述的支撑杆（36）设置在所述的手动微调移动板（11）的上面，其中，所述的铝板（30）紧贴所述的溶液池（17）。

5．根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，所述的水平运动机构包括有设置在所述的工字架（42）的上下两个横架内并沿所述的上下两个横架水平移动的滑块（45），以及设置在所述的工字架（42）的上下两个横架内的水平电机（46），所述的水平电机（46）的输出轴连接一水平传动丝杠（47），水平传动丝杠（47）贯穿滑块（45），所述的滑块（45）在水平传动丝杠（47）旋转时沿水平传动丝杠（47）和工字架（42）的上下两个横架水平移动，所述的辅助电极支架（40）固定在所述的滑块（45）上。

6．根据权利要求1所述的二氧化钛纳米管阵列精密制备和原位测试分析系统，其特征在于，所述的pH监测探头固定装置（48）包括有用于设置pH监测探头（61）的套筒（60）和分别设置在所述套筒（60）外侧面上、下部分的两个支撑杆（62），所述的两个支撑杆（62）的端部固定连接的用于插入工字架（42）上的插入孔（44）内的香蕉头（63）；所述的参比电极支架（41）为倒F型结构，所述倒F型结构的两个水平架上同轴的设置有用于固定参比电极（52）的过孔（64），所述倒F型结构的垂直架上在远离水平架的那一侧面的上、下部分对称的设置两个支撑杆（65），所述的两个支撑杆（65）的端部固定连接的用于插入工字架（42）上的插入孔（44）内的香蕉头（66）。