CN103728354A - 基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法。该系统包括太阳光模拟器、斩光器、测试模块和控制器；斩光器包括滤波片和多孔转盘，滤波片位于太阳光模拟器的输出光路上，用于得到特定光谱范围的太阳光，多孔转盘用于使滤波片的输出光变为特定频率和占空比的斩光；测试模块包括横向平移台、纵向平移台、标定测试仪和电化学测试仪，横向平移台用于调整到达标准电池或样品的测试光光强，纵向平移台用于使标准电池或样品位于所述斩光器的输出光路中心，标定测试仪用于测试标准电池的光电流。本发明能够测试光催化剂在不同光照条件下的电化学特性，从而进一步促进光催化的研究与改进，提高光催化效率。

Description

基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法

技术领域

本发明属于光催化技术领域，更具体地，涉及一种基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法。

背景技术

随着人口和经济的增长以及人民生活水平的提高，能源的消耗也急剧上升。伴随着传统的、不可再生的化石能源的不断消耗，由其引发的环境污染等问题日益严峻，发展清洁可再生能源技术成为时代的重大课题。光催化技术可在不消耗能源的情况下利用太阳能，将水分解为氢气或氧气，同时可分解有机化合物和一些细菌、病菌等微生物，在制造能源的同时也缓解了环境污染等问题。

光催化剂作为光催化技术的主体，在光催化体系中起着决定性的作用，因此研究光催化剂的工作特性，以及分析各项性能指标显得极其重要。在光催化光电化学分解水制氢体系中，催化剂大都采用半导体材料（如TiO₂），当照射光的能量等于或大于半导体的禁带宽度（E_g）时，半导体价带上的电子被激发跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置，或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化或还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接复合。

例如，三电极体系中，用TiO₂光电分解水，在光照条件下，TiO₂吸收光子产生电子与空穴对，在电场的作用下，电子通过外电路传输到对电极，空穴相应的留在工作电极。与H₂析出的电极电势相比，TiO₂光生电子的电势更负，从而在对电极发生还原反应而析出氢气，而光生空穴的电势比水氧化生成氧气的电势相比更正，从而在工作电极发生氧化反应而产生氧气。

因此，光激发产生的电子-空穴对数，以及在对电极和工作电极表面电子和空穴与电解液电荷交换（即氧化还原反应）的速率将极大决定氢气和氧气的生成速率。此外，在光电催化反应体系中，影响光电催化速率的因素主要还有催化剂、反应液、光源的光谱与辐照度、反应温度和压力等。催化剂作为测试表征的主体，为了表征其性能，在测试中控制其中的一些因素如压力、温度等，测试催化剂与反应液间的光电化学工作特性可达到表征目的，这对光催化反应的研究十分重要。同时光作为能量的最终来源以及催化的直接作用源，研究光对催化剂的影响作用特性显得极具有意义。

目前，在光催化测试系统研究中，绝大多数的主要研究测试对象为光催化产生的气体或者简单的催化剂电化学特性。对温度控制，特别是光源控制在光催化体系中的作用研究还存在欠缺。其中，以Zahner电化学工作站Zennium IM6为基础的CIMPS光电化学测试系统,尽管处理实验数据的重复性较好，可实现自动化操作，但存在以下缺点：（1）光源为LED灯，白色LED灯光谱与太阳光存在较大的差异；（2）单色光的调节通过不同的LED灯分别实现，增加了系统的复杂程度；（3）光调制的实现通过控制光源开关的开启与关闭实现，很难实现快速调制，极大限制了斩光频率，同时也缩短了光源的使用寿命；（4）成本高，操作复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法，能够测试光催化剂在不同光照条件下的电化学特性，从而进一步促进光催化的研究与改进，提高光催化效率，该系统结构简单，元件容易获得，且成本低。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，包括太阳光模拟器、斩光器、测试模块和控制器；所述斩光器包括滤波片和多孔转盘，所述滤波片位于所述太阳光模拟器的输出光路上，用于得到特定光谱范围的太阳光，所述多孔转盘用于使所述滤波片的输出光变为特定频率和占空比的斩光；所述测试模块包括横向平移台、纵向平移台、标定测试仪和电化学测试仪，所述横向平移台用于调整到达标准电池或样品的测试光光强，所述纵向平移台用于使标准电池或样品位于所述斩光器的输出光路中心，所述标定测试仪用于测试标准电池的光电流，所述电化学测试仪用于测试样品的电化学特性参数；所述控制器连接所述标定测试仪和所述电化学测试仪，用于控制所述标定测试仪对标准电池进行测试，还用于控制所述电化学测试仪对样品进行测试。

优选地，所述多孔转盘的周向均匀分布多个形状、尺寸相同的通光孔，转动所述多孔转盘，能分别使这些通光孔位于所述滤波片的输出光路上。

优选地，所述通光孔为圆形，转动所述多孔转盘，能分别使这些通光孔的中心与所述滤波片的输出光路中心重合。

优选地，所述斩光器还包括马达和马达驱动电源，所述马达用于驱动所述多孔转盘匀速转动，所述控制器通过所述马达驱动电源连接所述马达，用于通过控制所述马达驱动电源来调节所述马达的转速。

优选地，所述测试模块还包括横向平移驱动电源和纵向平移驱动电源，所述控制器通过所述横向平移驱动电源连接所述横向平移台，通过所述纵向平移驱动电源连接所述纵向平移台，所述控制器用于通过所述横向平移驱动电源控制所述横向平移台移动，还用于通过所述纵向平移驱动电源控制所述纵向平移台移动。

按照本发明的另一方面，提供了一种光催化光电化学综合测试方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在太阳光模拟器的输出光路上加载滤波片，得到特定光谱范围的太阳光；（2）在滤波片的输出光路上设置多孔转盘，调节多孔转盘的转速，使多孔转盘匀速转动，得到特定频率的斩光；（3）移动纵向平移台，使标准电池位于斩光的光路中心；（4）移动横向平移台，以调整到达标准电池或样品的测试光强；（5）测试标准电池的光电流，与预定的测试光强对应的光电流进行比较，如果不相等，则执行步骤（4），如果相等，则执行步骤（6）；（6）移动纵向平移台，使样品位于斩光的光路中心；（7）测试样品的电化学特性。

优选地，所述步骤（2）中，同时调节多孔转盘的通光孔分布，以调节斩光的周期和占空比。

优选地，还包括步骤（8），所述步骤（8）为：处理步骤（7）得到的测试数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、通过调整横向平移台的位置，采用不同的滤光片和斩波器，测试光催化剂在不同光照强度、不同光谱范围以及不同频率斩光等光照条件下的电化学特性。

2、光源光强和光谱范围的标定与控制方便准确，能准确表征光对光催化剂的作用，从而进一步促进光催化的研究与改进，提高光催化效率。

3、系统结构简单，元件容易获得，成本低，且输出与测试同步，保证测试精度。

附图说明

图1是本发明实施例的基于光调控的光催化光电化学综合测试系统结构图；

图2是多孔转盘的结构图；

图3是本发明实施例的基于光调控的光催化光电化学综合测试方法流程图；

图4是标准太阳光和紫外光照射下斩光测试的样品光电流密度-时间关系曲线；

图5是标准太阳光照射下斩光测试的光电流密度-偏置电压关系曲线；

图6是标准太阳光照射下稳态光测试的光电流密度-偏置电压关系曲线；

图7是标准太阳光照射下稳态光测试计算得到的光电转换效率-偏置电压关系曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-太阳光模拟器，2-斩光器，3-测试模块，4-控制器，5-氙灯，6-聚光器，7-光电源，8-散热器，9-滤光片，10-多孔转盘，11-马达，12-马达驱动电源，13-横向平移台轨道，14-横向平移台，15-横向平移驱动电源，16-纵向平移台，17-纵向平移驱动电源，18-标准硅基电池，19-标定测试仪，20-样品，21-电化学测试仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的基于光调控的光催化光电化学综合测试系统包括太阳光模拟器1、斩光器2、测试模块3和控制器4。

其中，太阳光模拟器1包括氙灯5、第一滤波片（图中未示出）、聚光器6和散热器8，第一滤波片位于氙灯5的正前方，聚光器6包括石英玻璃投射组和球面反射镜，位于第一滤波片的输出光路上，得到与太阳光光谱成分相似的模拟太阳光。散热器8用于稳定氙灯5的工作环境温度，输出稳定的、平行的模拟太阳光。

斩光器2包括第二滤波片9和多孔转盘10，第二滤波片9位于太阳光模拟器1的输出光路上，得到特定光谱范围的太阳光，如图2所示，多孔转盘10的周向均匀分布多个通光孔，转动多孔转盘10，能分别使这些通光孔的中心与第二滤波片9的输出光路中心重合，得到特定频率的斩光。

测试模块3包括横向平移台轨道13、横向平移台14、纵向平移台16、标定测试仪19和电化学测试仪21。横向平移台轨道13与斩光器2的输出光路平行，横向平移台14能沿横向平移台轨道13移动，用于调整到达标准硅基电池18或样品20的测试光光强。纵向平移台16能沿与水平面垂直的方向移动，用于使标准硅基电池18或样品20位于斩光器2的输出光路中心。标定测试仪19连接控制器4，用于测试标准硅基电池18的光电流，对照标准硅基电池的电流-光强曲线，标定对应的光强。电化学测试仪21连接控制器4，用于测试样品在给定光照条件下的电化学特性参数，并监控测试时的样品温度。

控制器4通过光电源7连接氙灯5，通过马达驱动电源12连接马达11，通过横向平移驱动电源15连接横向平移台14，通过纵向平移驱动电源17连接纵向平移台16，。控制器4用于通过调节光电源7的输出功率来调节氙灯5的发光功率，还用于通过控制马达驱动电源12来调节马达11的转速，驱动多孔转盘10匀速转动，从而得到特定频率的斩光，还用于通过横向平移驱动电源15控制横向平移台14移动，还用于通过纵向平移驱动电源17控制纵向平移台16移动，还用于控制标定测试仪19和电化学测试仪21对标准硅基电池18和样品进行测试，并处理测试结果。

如图3所示，本发明实施例的基于光调控的光催化光电化学综合测试方法包括如下步骤：

（1）在太阳光模拟器的输出光路上加载滤波片，得到特定光谱范围的太阳光。

（2）在滤波片的输出光路上设置多孔转盘，调节多孔转盘的转速，使多孔转盘匀速转动，得到特定频率的斩光。还可以通过调节多孔转盘的通光孔分布，调节斩光的周期和占空比（通光时间/周期比）。

（3）移动纵向平移台，使标准硅基电池位于斩光的光路中心。

（4）移动横向平移台，以调整到达标准硅基电池或样品的测试光强。

（5）测试标准硅基电池的光电流，与预定的测试光强对应的光电流进行比较，如果不相等，则执行步骤（4），如果相等，则执行步骤（6）。

（6）移动纵向平移台，使样品位于斩光的光路中心。

（7）测试样品的电化学特性。

（8）处理步骤（7）得到的测试数据。

用TiO₂纳米管作为样品，在1mol/L的KOH电解液中以Ag/AgCl为参比电极，以Pt为对电极，用本发明实施例的基于光调控的光催化光电化学综合测试系统测试样品的电化学特性。标准太阳光和紫外光照射下斩光测试的样品光电流密度-时间关系曲线如图4所示，标准太阳光照射下斩光测试的光电流密度-偏置电压关系曲线如图5所示，标准太阳光照射下稳态光测试的光电流密度-偏置电压关系曲线如图6所示，其中，实线的测试样品为50V偏压下氧化阳极钛片制得的TiO₂纳米管，虚线的测试样品为电还原石墨烯氧化物制得的石墨烯修饰的TiO₂纳米管。

根据光电转换效率的计算公式

$\mathrm{\η}=I\×(1.23-V_{\mathrm{bias}})/J_{\mathrm{light}}$

可得到在不同偏压下的光电转换效率，上式中，I为测试的光电流，V_bias为光电流对应的测试偏压，J_light为光源照射在样品上的光功率（光源的功率密度与样品受光面积的乘积）。得到标准太阳光照射下稳态光测试的光电转换效率-偏置电压关系曲线如图7所示。

根据工作效率的计算公式

$\mathrm{Efficiency}=\underset{0}{\overset{\mathrm{Voc}}{\∫}}I*V/J_{\mathrm{light}}$

可求得图6中PBS-10cycle方法制备的石墨烯修饰的TiO₂纳米管的工作效率为2.4%。

因此，本发明提供的测试系统和方法可精确测试以光催化TiO₂制氢为代表的光电化学分解水制氢体系在不同光照强度、不同光谱范围以及不同频率斩光等光照条件下的电化学特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，包括太阳光模拟器、斩光器、测试模块和控制器；

所述斩光器包括滤波片和多孔转盘，所述滤波片位于所述太阳光模拟器的输出光路上，用于得到特定光谱范围的太阳光，所述多孔转盘用于使所述滤波片的输出光变为特定频率和占空比的斩光；

所述测试模块包括横向平移台、纵向平移台、标定测试仪和电化学测试仪，所述横向平移台用于调整到达标准电池或样品的测试光光强，所述纵向平移台用于使标准电池或样品位于所述斩光器的输出光路中心，所述标定测试仪用于测试标准电池的光电流，所述电化学测试仪用于测试样品的电化学特性参数；

所述控制器连接所述标定测试仪和所述电化学测试仪，用于控制所述标定测试仪对标准电池进行测试，还用于控制所述电化学测试仪对样品进行测试。

2.如权利要求1所述的光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，所述多孔转盘的周向均匀分布多个形状、尺寸相同的通光孔，转动所述多孔转盘，能分别使这些通光孔位于所述滤波片的输出光路上。

3.如权利要求2所述的光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，所述通光孔为圆形，转动所述多孔转盘，能分别使这些通光孔的中心与所述滤波片的输出光路中心重合。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，所述斩光器还包括马达和马达驱动电源，所述马达用于驱动所述多孔转盘匀速转动，所述控制器通过所述马达驱动电源连接所述马达，用于通过控制所述马达驱动电源来调节所述马达的转速。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，所述测试模块还包括横向平移驱动电源和纵向平移驱动电源，所述控制器通过所述横向平移驱动电源连接所述横向平移台，通过所述纵向平移驱动电源连接所述纵向平移台，所述控制器用于通过所述横向平移驱动电源控制所述横向平移台移动，还用于通过所述纵向平移驱动电源控制所述纵向平移台移动。

6.一种光催化光电化学综合测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在太阳光模拟器的输出光路上加载滤波片，得到特定光谱范围的太阳光；

（2）在滤波片的输出光路上设置多孔转盘，调节多孔转盘的转速，使多孔转盘匀速转动，得到特定频率的斩光；

（3）移动纵向平移台，使标准电池位于斩光的光路中心；

（4）移动横向平移台，以调整到达标准电池或样品的测试光强；

（5）测试标准电池的光电流，与预定的测试光强对应的光电流进行比较，如果不相等，则执行步骤（4），如果相等，则执行步骤（6）；

（6）移动纵向平移台，使样品位于斩光的光路中心；

（7）测试样品的电化学特性。

7.如权利要求6所述的光催化光电化学综合测试方法，其特征在于，所述步骤（2）中，同时调节多孔转盘的通光孔分布，以调节斩光的周期和占空比。

8.如权利要求6或7所述的光催化光电化学综合测试方法，其特征在于，还包括步骤（8），所述步骤（8）为：处理步骤（7）得到的测试数据。

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