CN104502388B - 基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法，系统包括扫描电化学显微镜装置、Pt超微电极、样品固定装置、光源装置和转台控制装置，扫描电化学显微镜装置包括三维控制仪和电化学工作站；样品固定装置包括聚四氟化学池和固定件；光源装置包括散热器、直流电源以及依次排列在散热器圆盘边沿上的红、黄、蓝、白LED光源；转台控制装置包括中央处理器、带有通光孔的圆盘、驱动器、控制器和步进电机。实施本发明可克服目前太阳能电池和光电催化界面化学反应动力学信息获取不足的缺陷，快速得到精确的界面反应动力学信息，为研究太阳能电池或光电催化分解水器件提供有力的实验参数。

Description

基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法

技术领域

本发明涉及光电化学界面动力学技术领域，具体地，涉及一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法。

背景技术

随着全球化石能源的日益枯竭，为人类寻找可替代的再生能源正变得越来越迫切。随着新能源技术的不断发展，作为再生能源的代表，核能，风能和太阳能的利用已经开始慢慢走进人们的日常生活当中，太阳能的开发利用已经成为各国政府、科学界的研究焦点。

扫描电化学显微镜(SECM)是80年代末由国际著名电化学家A.J.Bard小组提出和发展起来的一种扫描探针显微镜技术。它是基于上个世纪70年代末超微电极(UME)及80年代初扫描隧道显微镜(STM)的发展而产生出来的一种分辨率介于普通光学显微镜与STM之间的电化学现场检测新技术。SECM是基于电化学原理工作，可测量微区内物质氧化或还原所给出的电化学电流，待测样品可以是导体、绝缘体和半导体。该技术一般采用电流法，通过驱动一支超微电极(UME)在靠近固相基底表面很近的位置进行扫描或者驱动一支超微电极从距基底薄膜电极表面200μm处以1μm s^-1的速率逼近基底，从而获得对应微区内的电化学相关信息，目前最高分辨率可达几十纳米。随着技术的进一步成熟，SECM已在生物分析、亚单分子层吸附的均匀性、酶-中间体催化反应的动力学、样品表面扫描成像、固/液、液/液界面的氧化还原活性、分辨不均匀电极表面的电化学活性、微区均相电化学动力学；异相电荷转移反应、锂离子电池、太阳能电池动力学测试和光电催化分解水动力学测试等方面。

当前太阳能的利用有多种形式，主要以光伏电池、光催化和光电催化三种工作形式，这些方面的应用技术已经取得了很大的进步，但是科学界对这三种工作形式的一些机理不是很清楚，尤其是光电化学界面反应动力学的信息捕获技术不完善。虽然目前瞬态吸收光谱仪也可以测试一些光电器件的界面动力学行为，但是由于该仪器长期需要向国外进口，价格昂贵，使用环境要求高，实验操作和数据分析繁琐，因此需要开发一套成本较低、操作简便、数据易于分析的光电化学界面动力学测试系统及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法，可克服目前太阳能电池和光电催化界面化学反应动力学信息获取不足的缺陷，快速得到精确的界面反应动力学信息，为研究太阳能电池或光电催化分解水器件提供有力的实验参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统，用于测试透明光阳极样品薄膜的再生动力学行为特性，所述系统包括扫描电化学显微镜装置、Pt超微电极、样品固定装置、光源装置和转台控制装置，

所述扫描电化学显微镜装置包括三维控制仪和电化学工作站，所述三维控制仪用于控制超微电极在透明光阳极样品薄膜表面进行扫描，电化学工作站用于采集超微电极扫描过程中产生的电化学信息；

所述样品固定装置包括聚四氟化学池和固定件，固定件用于将透明光阳极样品薄膜固定在聚四氟化学池底部，并导出电极引线；固定件还用于将参比电极和对电极固定在聚四氟反应池的侧面，并与聚四氟化学池中央盛放的电解液导通；

所述光源装置包括散热器、直流电源以及依次排列在散热器圆盘边沿上的红、黄、蓝、白LED光源，散热器固定在聚四氟化学池正下方，所述LED光源垂直照射到聚四氟化学池底部中央预留的通光孔；直流电源用于给所述LED光源提供驱动电压，通过控制驱动电压的大小使得LED光源发出不同功率的光；

所述转台控制装置包括中央处理器、带有通光孔的圆盘、驱动器、控制器和步进电机，其中带有通光孔的圆盘同轴安装在步进电机上，中央处理器控制控制器发送脉冲信号至驱动器；驱动器将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机，步进电机根据运动信号旋转进而带动圆盘同轴转动，此时所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，达到交替光照的效果，同时扫描电化学显微镜采集透明光阳极样品薄膜反馈电流的变化信息。

相应地，本发明还提供一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学系统进行测试的方法，所述方法包括步骤：

S1、选用有机或无机溶剂、氧化还原电解质的粉末配制不同浓度的氧化还原电解质溶液；

S2、通过丝网印刷技术和电化学沉积技术制备透明光阳极样品薄膜，然后将透明光阳极样品薄膜固定在聚四氟反应池底部中央并封住聚四氟化学池底部中央的通光圆孔，作为测试时的基底电极，并通过聚四氟化学池的底部圆孔与电解质导通；

S3、将聚四氟反应池和超微电极固定在三维控制仪上，将参比电极和对电极固定在聚四氟反应池的侧面，并与聚四氟化学池中盛放的电解液导通，将电化学工作站的工作电极引脚、参比电极引脚、对电极引脚依次与Pt超微电极、聚四氟反应池侧面的参比电极、对电极连接，同时基底电极通过外接引线与聚四氟反应池侧壁上备用的Pt丝连接形成短路；

S4、将Pt超微电极移动到基底电极表面上方，以1-10μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，使得Pt超微电极与基底电极刚好接触，完成Pt超微电极的准确定位；

S5、水平旋转散热器圆盘，使红色LED光源处于基底电极正下方以保证基底电极有效受光，同时给予各LED灯直流驱动电压使其达到测试所需功率；

S6、通过中央处理器控制控制器发送脉冲信号至驱动器；驱动器将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机，步进电机根据运动信号旋转进而带动圆盘同轴转动，使得所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，保证LED光斑刚好垂直照射到基底电极；

S7、在给定浓度的氧化还原电解质中，驱动超微电极从与基底电极为0处向上升起150-200μm，然后在LED光源照射下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，得到电流反馈逼近曲线；

S8、将步骤S7中的电流反馈逼近曲线进行拟合，得到氧化还原电解质浓度与有效异相电荷转移速率常数的变化关系曲线，并据此得到透明光阳极样品薄膜在氧化还原电解质中的再生速率。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：通过采用本发明所述的基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法，既可以用于修饰有透明薄膜材料太阳能电池的光阳极，又可用于修饰有透明薄膜材料光电催化剂的光阳极光电化学动力学反应测试。因此，本发明可克服目前太阳能电池和光电催化界面化学反应动力学信息获取不足的缺陷，快速得到精确的界面反应动力学信息，为研究太阳能电池和光电催化分解水器件提供有力的实验参数。该测试系统及方法相比较于进口设备，其采集电化学信号所需的电化学仪器和光电控制器可采用国产设备，在保证测试结果准确的情况下，能有效降低成本；系统各子装置易于控制、数据处理步骤简单明了，可以快速得到器件界面化学动力学信息。并且，本发明测试系统有利于扫描电化学显微镜技术的推广和应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明Pt超微电极的结构示意图；

图2是本发明电流反馈曲线；

图3是本发明扫描电化学显微镜示意图；

图4是聚四氟化学池；

图5是本发明光源装置和转台控制装置示意图；

图6是C106染料分子在不同浓度钴电解质(Co³⁺)下的电流反馈曲线；

图7是C106染料分子有效速率常数与钴电解质(Co³⁺)浓度关系曲线；

图8是CdSe量子点在不同浓度多硫电解质(T₂)下的电流反馈曲线；

图9是CdSe量子点有效速率常数与多硫电解质(T₂)浓度关系曲线；

图10是BiVO₄光催化剂在不同浓度K₃Fe(CN)₆下的电流反馈曲线；

图11是BiVO₄光催化剂有效速率常数与K₃Fe(CN)₆浓度关系曲线。

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。

本发明光电化学动力测试系统，基于扫描电化学显微镜技术，具体包括以下四个部分：

(1)扫描电化学显微镜装置，包括一台电化学工作站和一台三维控制仪，如附图3所示。本发明一个实施例中优选采用上海辰华扫描电化学显微镜，其中通过计算机控制软件可以驱动三维控制仪，进而控制安装在三维控制仪上的超微电极在薄膜样品表面进行扫描，扫描方向可以选择水平和垂直方向，另外，将电化学工作站上工作电极引脚和超微电极连接，通过计算机控制软件可以采集并存储扫描过程中超微电极表面所产生的电化学信息；

(2)Pt超微电极。如附图1所示，Pt超微电极由铜导丝、环氧树脂封装胶、硼砂玻璃探针管、银胶、铂丝、硼砂玻璃探针管与铂丝的熔合部分组成；

(3)样品固定装置。样品固定装置包括聚四氟化学池(如附图4所示)和固定件，固定件用于将透明光阳极样品薄膜固定在聚四氟化学池底部，并导出电极引线；固定件还用于将参比电极和对电极固定在聚四氟反应池的侧面，并与聚四氟化学池中央盛放的电解液导通；

(4)光源装置。如附图5所示，将红、黄、蓝三种单色LED灯和LED白色光源8分别固定在散热器9圆盘上，散热器固定在聚四氟化学池正下方并达到垂直光照的要求，同时直流电压源3给上述四个LED灯提供驱动电压，通过控制驱动电压的大小来得到不同光功率参数；

(5)转台控制装置。如附图5所示，转台控制子系统包括中央处理器1、第一直流电源2、第二直流电源3、带有通光孔的圆盘4、驱动器5、控制器6、步进电机7，其中带有通光孔的圆盘4同轴安装在步进电机7上，中央处理器1控制控制器6发送脉冲信号至驱动器5；驱动器5将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机7，步进电机7根据运动信号执行相应动作。随着步进电机7的旋转运动，与步进电机7同轴的圆盘4同时转动，此时圆盘4上的通光孔依次通过各LED灯8的正上方，达到交替光照的效果，同时扫描电化学显微镜采集透明光阳极样品薄膜反馈电流的变化信息。

以下结合具体实施实例对本发明光电化学动力测试系统及方法做进一步说明。

实施例一：

本实施例中，基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试方法包括以下步骤：

S1、制备氧化还原电解质。本实施例中以钴电解质Co(bpy)₃(PF₆)₃为例，以乙腈CH₃CN为溶剂，高氯酸四丁基氨C₁₆H₃₆ClNO₄为支持电解质，分别配制1mM、0.8mM、0.6mM、0.3mM、0.1mM、0.03mM一系列浓度钴电解质Co(bpy)₃(PF₆)₃氧化还原电解液，每次取2mL确定浓度电解液加入到聚四氟反应池当中；

S2、制备基底电极。将P25型TiO₂浆料通过丝网印刷法制备到导电玻璃FTO上形成TiO₂薄膜，然后在退火炉中500℃退火30分钟后自然冷却，待其温度降到80℃时，将FTO/TiO₂薄膜浸泡到C106TBA染料溶液中持续3小时，随后取出FTO/TiO₂/C106TBA薄膜电极并用乙腈CH₃CN溶液冲洗，此时染料敏化太阳能电池光阳极薄膜制备已经完成。最后，将光阳极薄膜固定在聚四氟反应池的底部，作为测试时的基底电极并通过底部圆孔与电解质导通；

S3、将聚四氟反应池和Pt超微电极放入三维控制仪特定位置固定好，随后将有机体系参比电极Ag/Ag⁺固定在四氟反应池侧壁上并与电解质导通，最后将电化学工作站3根电极引脚，工作电极引脚，参比电极引脚，对电极引脚，依次与附图1所示的Pt超微电极和如附图4所示的聚四氟反应池上的电极连接，同时基底电极通过外接引线与聚四氟反应池侧壁上备用的Pt丝连接形成短路；

S4、通过扫描电化学显微镜三维控制仪软件，在视觉上将Pt超微电极移动到基底电极表面上方合适位置，然后以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，当Pt超微电极与基底电极之间距离接近0时，附图2中显示的电流反馈曲线出现一个拐点，随后保持一个平台，说明Pt超微电极与基底电极刚好接触，二者距离为0，此时完成Pt超微电极的准确定位；

S5、水平旋转散热器圆盘，使红光LED灯处于基底电极正下方以保证基底电极有效受光，同时给予LED灯3.6V直流驱动电压，使其达到实验所需功率；

S6、如附图5所示，通过中央处理器1控制控制器6发送脉冲信号至驱动器5；驱动器5将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机7，步进电机7根据运动信号旋转进而带动圆盘4同轴转动，使得所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，保证LED光斑刚好垂直照射到基底电极；

S7、在步骤S4的基础上，在0.1mM Co(bpy)₃(PF₆)₃氧化还原电解液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起150μm，然后在光照条件下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，当显示的电流反馈曲线出现一个拐点和平台时，说明Pt超微电极与基底电极刚好为0，此时应该终止Pt超微电极运动以免破坏Pt超微电极；同样地，分别在0.3mM，0.6mM，0.8mM和1.0mM Co(bpy)₃(PF₆)₃氧化还原电解液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起150μm，然后在光照条件下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，最终得到如附图6所示一系列逼近曲线，其中纵坐标为归一化的反馈电流，横坐标为归一化的距离参数；

S8、通过将步骤S7中的逼近曲线进行拟合，得到如图7所示钴电解质Co(bpy)₃(PF₆)₃浓度与有效异相电荷转移速率常数的变化关系曲线，其中纵坐标是有效异相电荷转移速率常数k_eff,横坐标是钴电解质Co(bpy)₃(PF₆)₃浓度[C],然后利用公式(1)将步骤S7中得到的曲线拟合并经过规划求解，得到C106TBA染料在钴电解质Co(bpy)₃(PF₆)₃中的再生速率为3.43×10⁵mol^-1cm³s^-1，满足了光电化学界面动力学测试需求，说明了该系统可以精确地得到C106TBA染料分子的再生动力学参数性能。

其中，l为基底电极膜厚，D⁰为C106TBA分子在基底电极上的体积浓度，φ_hv为C106TBA分子的有效受光面积，J_hv为光功率，k'_ox为C106TBA分子的再生速率，[Co³⁺]*为Co(bpy)₃(PF₆)₃在体溶液中的浓度。

实施例二：

本实施例中，基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试方法包括以下步骤：

S1、氧化还原电解质的制备。本实施例中以多硫电解质T₂为例，以乙腈CH₃CN为溶剂，高氯酸四丁基氨C₁₆H₃₆ClNO₄为支持电解质，配制1mM,0.6mM,0.3mM,0.1mM,一系列浓度多硫电解质T₂氧化还原电解液，每次取2mL特定浓度电解液加注到聚四氟反应池当中；

S2、基底电极的制备。将P25型TiO₂浆料通过丝网印刷法制备到导电玻璃FTO上形成直径为7mm的TiO₂薄膜，然后在退火炉中500℃退火30分钟后自然冷却。通过离子吸附的方法得到FTO/TiO₂/CdSe薄膜，此时量子点敏化太阳能电池光阳极薄膜制备已经完成。最后，将光阳极薄膜固定在聚四氟反应池的底部，作为测试时的基底电极并通过底部圆孔与多硫电解质T₂导通；

S3、将聚四氟反应池和超微Pt电极放入三维控制仪特定位置固定好，随后将有机体系参比电极Ag/Ag+固定在四氟反应池侧壁上并与多硫电解质T₂导通，最后将电化学工作站3根电极引脚，即工作电极引脚，参比电极，对电极，依次与Pt超微电极和聚四氟反应池上的电极连接，同时基底电极通过外接引线与聚四氟反应池侧壁上备用的Pt丝连接形成短路；

S4、通过扫描电化学显微镜三维控制仪软件，在视觉上将Pt超微电极移动到基底电极表面上方合适位置，然后以10μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，当Pt超微电极与基底电极之间距离接近0时，附图2中显示的电流反馈曲线出现一个拐点，随后保持一个平台，说明Pt超微电极与基底电极刚好接触，二者距离为0，此时完成Pt超微电极的准确定位；

S5、水平旋转散热器圆盘，使红光LED灯处于基底电极正下方以保证基底电极有效受光，同时给予LED灯3.6V直流驱动电压,使其达到实验所需功率。

S6、如附图5所示，通过中央处理器1控制控制器6发送脉冲信号至驱动器5；驱动器5将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机7，步进电机7根据运动信号旋转进而带动圆盘4同轴转动，使得所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，保证LED光斑刚好垂直照射到基底电极；

S7、在步骤S4的基础上，在0.1mM多硫电解质T₂溶液液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起200μm，然后在光照条件下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，当显示的电流反馈曲线出现一个拐点和平台时，说明Pt超微电极与基底电极刚好为0，此时应该终止Pt超微电极运动以免破坏Pt超微电极；同样地，分别在0.3mM，0.6mM，0.8mM和1.0mM多硫T₂氧化还原电解液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起200μm，然后在光照条件下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，最终得到如附图8所示一系列逼近曲线，其中纵坐标为归一化的反馈电流，横坐标为归一化的距离参数；

S8、通过将步骤S7中的逼近曲线进行拟合，得到如附图9所示多硫电解质T₂浓度与有效异相电荷转移速率常数的变化关系曲线，其中纵坐标是有效异相电荷转移速率常数k_eff,横坐标是多硫电解质T₂的浓度[C],然后利用公式(2)将步骤S7中得到的曲线拟合并经过规划求解，得到CdSe量子点在多硫电解质T₂中的再生速率为6.7×10⁵mol^-1cm³s^-1，满足了光电化学界面动力学测试需求，说明了该系统可以精确地得到CdSe量子点分子的再生动力学参数性能。

其中，l为基底电极膜厚，D⁰为CdSe量子点分子在基底电极上的体积浓度，φ_hv为CdSe量子点分子的有效受光面积，J_hv为光功率，k'_ox为CdSe量子点分子的再生速率，[T₂]*为多硫氧化还原电解质在体溶液中的浓度。

实施例三：

本实施例中，基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试方法包括以下步骤：

S1、氧化还原电解质的制备。本实施例中以铁氰化钾K₃Fe(CN)₆为例，以去离子水为溶剂，硫酸钠Na₂SO₄为支持电解质，配制4.0mM,2.0mM,0.6mM,0.3mM,0.1mM一系列浓度的铁氰化钾K₃Fe(CN)₆氧化还原电解液，每次取2mL上述浓度的电解液加入到聚四氟反应池当中；

S2、基底电极的制备。以导电玻璃FTO为基底电极，以硝酸铋Bi(NO₃)₃,碘化钾KI和对苯醌C₆H₄O₂的水溶液为电解质，利用电化学恒电位沉积法，将基底电极的电位设置为-0.1V，连续沉积300s得到FTO/BiOI电极。然后取适量乙酰丙酮钒的溶液滴涂到FTO/BiOI表面，在450℃退火2小时，最终将得到FTO/BiVO₄薄膜电极，BiVO₄为光电催化剂。最后，将FTO/BiVO₄薄膜电极固定在聚四氟反应池的底部，作为测试时的基底电极并通过底部圆孔与铁氰化钾电解液导通；

S3、将聚四氟反应池和超微Pt电极放入三维控制仪特定位置固定好，随后将水溶液体系参比电极Ag/AgCl固定在四氟反应池侧壁上并与铁氰化钾电解液导通，最后将电化学工作站3根电极引脚，即工作电极引脚，参比电极，对电极，依次与Pt超微电极，聚四氟反应池上的Ag/AgCl参比电极和Pt对电极连接，同时FTO/BiVO₄基底电极通过焊接引线与聚四氟反应池侧壁上备用的Pt丝连接形成短路；

S4、通过扫描电化学显微镜三维控制仪软件，在视觉上将Pt超微电极移动到基底电极表面上方合适位置，然后以5μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，当Pt超微电极与基底电极之间距离接近0时，附图2中显示的电流反馈曲线出现一个拐点，随后保持一个平台，说明Pt超微电极与基底电极刚好接触，二者距离为0，此时完成Pt超微电极的准确定位；

S5、如附图5所示，水平旋转散热器圆盘，使红光LED灯处于基底电极正下方以保证基底电极有效受光，同时给予LED灯3.6V直流驱动电压,使其达到实验所需功率；

S6、如附图5所示，通过中央处理器1控制控制器6发送脉冲信号至驱动器5；驱动器5将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机7，步进电机7根据运动信号旋转进而带动圆盘4同轴转动，使得所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，保证LED光斑刚好垂直照射到基底电极；

S7、在0.1mM铁氰化钾氧化还原电解液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起170μm，然后在光照条件下，驱动Pt超微电极以1μm/s的速度匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流。当显示的电流反馈曲线出现一个拐点和平台时，说明Pt超微电极与基底电极刚好为0，此时应该终止Pt超微电极移动以免破坏Pt超微电极；同样地，分别在0.3mM，0.6mM，0.8mM,1.0mM,2.0mM和4.0mM铁氰化钾K₃Fe(CN)₆氧化还原电解液中，驱动Pt超微电极从与基底电极距离为0处向上升起170μm，然后在光照条件下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，最终得到如附图10所示一系列逼近曲线，其中纵坐标为归一化的反馈电流，横坐标为归一化的距离参数；

S8、通过将步骤S7中的逼近曲线进行拟合，得到如图11所示的铁氰化钾K₃Fe(CN)₆氧化还原电解液浓度与有效异相电荷转移速率常数的变化关系曲线，其中纵坐标是有效异相电荷转移速率常数k_eff,横坐标是铁氰化钾K₃Fe(CN)₆氧化还原电解液的浓度[C],然后利用公式(3)将步骤(7)中得到的曲线拟合并经过规划求解，得到光电催化剂BiVO₄在铁氰化钾K₃Fe(CN)₆氧化还原电解液中的再生速率为6.7×10⁵mol^-1cm³s^-1，满足了光电化学界面动力学测试需求，说明了该系统可以精确地得到BiVO₄光催化剂分子的再生动力学参数性能。

其中，l为基底电极膜厚，D⁰为BiVO₄分子在基底电极上的体积浓度，φ_hv为BiVO₄分子的有效受光面积，J_hv为光功率，k'_ox为BiVO₄分子的再生速率，为铁氰化钾氧化还原电解质在体溶液中的浓度。

因此由上述内容可知，采用本发明所述的基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法可以精确地得到光电化学界面的动力学行为特性参数。

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 (2)

1.一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统，用于测试透明光阳极样品薄膜的再生动力学行为特性，所述系统包括扫描电化学显微镜装置、Pt超微电极、光源装置，其特征在于，还包括样品固定装置和转台控制装置，

所述扫描电化学显微镜装置包括三维控制仪和电化学工作站，所述三维控制仪用于控制超微电极在透明光阳极样品薄膜表面进行扫描，电化学工作站用于采集超微电极扫描过程中产生的电化学信息；

所述样品固定装置包括聚四氟化学池和固定件，固定件用于将透明光阳极样品薄膜固定在聚四氟化学池底部，并导出电极引线；固定件还用于将参比电极和对电极固定在聚四氟反应池的侧面，并与聚四氟化学池中央盛放的电解液导通；

所述光源装置包括散热器、直流电源以及依次排列在散热器圆盘边沿上的红、黄、蓝、白LED光源，散热器固定在聚四氟化学池正下方，所述LED光源垂直照射到聚四氟化学池底部中央预留的通光孔；直流电源用于给所述LED光源提供驱动电压，通过控制驱动电压的大小使得LED光源发出不同功率的光；

所述转台控制装置包括中央处理器、带有通光孔的圆盘、驱动器、控制器和步进电机，其中带有通光孔的圆盘同轴安装在步进电机上，中央处理器控制控制器发送脉冲信号至驱动器；驱动器将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机，步进电机根据运动信号旋转进而带动圆盘同轴转动，此时所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，达到交替光照的效果，同时扫描电化学显微镜采集透明光阳极样品薄膜反馈电流的变化信息。

2.一种利用如权利要求1所述基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学系统进行测试的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、选用有机或无机溶剂、氧化还原电解质的粉末配制不同浓度的氧化还原电解质溶液；

S2、通过丝网印刷技术和电化学沉积技术制备透明光阳极样品薄膜，然后将透明光阳极样品薄膜固定在聚四氟反应池底部中央并封住聚四氟化学池底部中央的通光圆孔，作为测试时的基底电极，并通过聚四氟化学池的底部圆孔与电解质导通；

S3、将聚四氟反应池和超微电极固定在三维控制仪上，将参比电极和对电极固定在聚四氟反应池的侧面，并与聚四氟化学池中盛放的电解液导通，将电化学工作站的工作电极引脚、参比电极引脚、对电极引脚依次与Pt超微电极、聚四氟反应池侧面的参比电极、对电极连接，同时基底电极通过外接引线与聚四氟反应池侧壁上备用的Pt丝连接形成短路；

S4、将Pt超微电极移动到基底电极表面上方，以1-10μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，使得Pt超微电极与基底电极刚好接触，完成Pt超微电极的准确定位；

S5、水平旋转散热器圆盘，使红色LED光源处于基底电极正下方以保证基底电极有效受光，同时给予各LED灯直流驱动电压使其达到测试所需功率；

S6、通过中央处理器控制控制器发送脉冲信号至驱动器；驱动器将脉冲信号转换为运动信号，再发送至步进电机，步进电机根据运动信号旋转进而带动圆盘同轴转动，使得所述带有通光孔的圆盘上的通光孔依次通过各LED光源的正上方，保证LED光斑刚好垂直照射到基底电极；

S7、在给定浓度的氧化还原电解质中，驱动超微电极从与基底电极为0处向上升起150-200μm，然后在LED光源照射下，以1μm/s的速度控制超微电极匀速逼近基底电极，同时采集工作电极电流，得到电流反馈逼近曲线；

S8、将步骤S7中的电流反馈逼近曲线进行拟合，得到氧化还原电解质浓度与有效异相电荷转移速率常数的变化关系曲线，并据此得到透明光阳极样品薄膜在氧化还原电解质中的再生速率。