CN107202791B - 一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与方法，该方法能够控制气泡在壁面附近的行为，包括反弹、碰撞、滑移、合并和脱离直径变小等行为。具体特征在于，该装置可在光电极表面产生连续均匀的气泡，通过斩光控制气泡生长脱离特性；通过斩光控制电极表面的气泡发生反弹行为，且反弹次数与频率可调；通过斩光控制气泡碰撞壁面并在壁面滑移与合并；通过摄像系统记录气泡行为，可以分析气泡的行为信息，为气泡在斩光过程中的受力分析提供了有效手段。因此，本发明提出的这种装置与方法，能够有效控制气泡在电极表面附近的动力学行为与特性，从而有效控制气泡行为对于体系的传热传质效率的影响，在应用中十分灵活，可重复性极强。

Description

一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置与方法

技术领域

本发明属于光催化及多相流交叉技术领域，具体涉及光催化过程中光电极表面气泡行为的控制及记录装置与方法，特别涉及到一种通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与方法。

背景技术

光催化/光电催化分解水制氢是一种非常有前景的获得无碳能源的有效途径，而在分解水过程中发生在电极表面的气泡析出现象是质量传递或热量传递过程的直观反映，往往成为影响工业过程、体系效率的关键。光阳极水氧化反应作为限速步骤决定了分解水的效率，该反应驱动氧气泡的生长，是发生在光电极固液表面典型的物理化学过程。研究电极表面析出气泡的动力学特性对于理解光电化学反应过程中界面相互作用和反应产物的输运提供了一种有效方法。人们基于沸腾、电解等特殊工业过程中的气泡析出现象，对气泡的生长、脱离等过程的物理机制，及气泡现象对系统效率影响两方面展开了广泛地研究，但对气泡和界面之间的相互作用机制缺乏关注。

目前对于气泡在壁面附近的运动，大多数学者通过注气或者加热液体的方式产生气泡，研究上升气泡在垂直壁面附近的动力学行为或上升的气泡与水平壁面或者倾斜壁面的碰撞反弹现象，包括气泡的运动轨迹、速度和变形等，也研究在此过程中气泡与壁面的相互作用对系统传热传质的影响；也有学者通过光催化/光电催化分解水的方式在电极表面产生气泡，研究气泡的生长脱离或合并滑移等行为对体系反应产物输运或者对催化反应效率的影响。而通过光催化/光电催化分解水在垂直壁面产生气泡，并由外部斩光控制气泡在壁面发生碰撞、反弹、滑移、合并和脱离直径变小等行为，从而对系统的传热传质及催化反应效率产生影响的研究未见有正式报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过斩光控制气泡在光电极表面反弹行为的装置与技术方法。利用该装置与方法能够通过斩光系统对激发光源进行斩光，而电子快门的开关时间可调节，从而有效控制气泡在电极表面的动力学行为与特性，进而控制气泡对体系的传质换热及反应效率的影响。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，包括光源系统、斩光系统、反应系统和摄像系统，其中光源系统包括激光器和聚焦透镜，斩光系统包括电子快门和精密定时器，反应系统包括反应池和电化学工作站，摄像系统包括高速摄像和显微镜，所述光源系统产生激发光束，聚焦后的光束通过斩光系统，被斩光的激发光束入射到反应系统，摄像系统记录反应系统中产生的气泡行为。

进一步地，激光器、聚焦透镜和电子快门加装在精密共轴光学导轨上，电子快门连接精密定时器，入射光源与反应池内的TiO₂光电极垂直，摄像系统安装在三维调节架上，高亮度LED灯正对摄像系统。

一种基于通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置的方法，包括以下步骤：

步骤一，调节光源系统和反应系统，使电极表面连续均匀地产生气泡；

步骤二，利用斩光系统对光源进行斩光，调节快门开关时间0.01s-9999s，得到对应的气泡行为；

步骤三，摄像系统从反应池侧面对电极表面产生的气泡行为进行拍摄，高亮度LED灯正对摄像机进行补光；

步骤四，导出摄像系统记录的气泡图片，用图像处理软件分析气泡行为。

进一步地，步骤一中所述的反应系统采用恒电压极化的光电催化方式或者纯光催化方式使阳极表面产生气泡。

进一步地，步骤二中所述的电子快门打开时激发光束照射在电极表面，电子快门关闭则遮挡光束照射电极表面，电子快门的开关时间通过精密定时器进行设置。

进一步地，步骤二中所述的气泡行为，包括反弹、碰撞壁面、滑移、合并和气泡脱离直径变小，其中碰撞、滑移与合并发生在反弹过程中。

进一步地，气泡反弹、碰撞壁面和滑移要求快门打开时间0～5s，快门关闭时间0～1s，气泡合并要求快门打开时间0.01s～0.1s，快门关闭时间0.01s～0.2s，气泡脱离直径变小要求快门打开时间小于气泡无斩光时的生长时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过精密电子快门对激发光源进行斩光，可以使光电极表面产生的气泡提前脱离，减小气泡在电极表面的附着时间与脱离直径，提高气泡脱离频率，调节快门开关时间还可以使气泡发生反弹、碰撞壁面、滑移与合并，这些行为都可以提高电极表面催化反应位置附近的传热传质效率。有的研究通过注气和加热液体产生气泡，并利用液体浮力使气泡上升与水平或者倾斜壁面发生碰撞并反弹，也有研究通过光催化/光电催化分解水在电极表面产生气泡，产生的气泡在合并时发生弹跳滑移等现象，本发明通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与技术方法具有以下优点。首先，本发明中气泡的产生更易控制，气泡大小和生长频率更均匀，气泡的脱离不需要在反应池内加入扰动；其次，气泡的生长时间和脱离直径大小可以通过外部斩光控制，在气泡不发生反弹的情况下，气泡的生长时间和脱离直径与快门打开时间正相关，其中生长时间等于打开时间，脱离直径与生长时间的1/3次方成正比；再次，通过调节快门开关时间可以使气泡发生反弹、碰撞壁面、滑移与合并等现象；最后，对于气泡在壁面上的反弹、碰撞壁面、滑移与合并等行为的控制上更为主动，气泡在反弹的过程中仍在生长，脱离时大小形状保持不变，且气泡最终会脱离表面而不会附着在生长点影响反应效率，因此更容易分析气泡在过程中的受力和对系统传热传质的影响，在应用中十分灵活，可重复性极强。

附图说明

图1是本发明一种通过斩光控制光电极表面气泡行为系统装置示意图。

图2是气泡反弹示意图；

其中(a)是通过本发明的装置获得的气泡反弹图片，图中虚线标记光照中心位置，(b)是根据气泡反弹现象给出的示意图，图中包括气泡的成核、生长、脱离、反弹、碰撞壁面与滑移等行为；

图3是反弹气泡的半径与相对坐标位置随时间变化曲线图，其中垂直虚线对应快门打开和关闭时刻，序号代表气泡反弹次数；

图4是不同快门开关条件下的气泡平均周期和平均反弹次数变化曲线图。

图5是斩光控制气泡发生滑移与合并行为的图片；

图6不同偏压下脱离直径之比随光强的变化曲线，脱离直径之比是指在加入快门斩光后的气泡脱离直径与无扰动时气泡正常脱离直径的比值，其中快门打开时间为2s，关闭时间为0.15s。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，本发明的一种通过斩光控制氧气泡在光电极表面行为的装置与方法，首先设计并搭建系统，将光源系统和斩光系统加装在精密共轴光学导轨上，CS350电化学工作站7为反应提供恒偏压，高速摄像机8和显微镜9固定在三维调节架10上从侧面对反应池6中光电极上的气泡进行拍摄，高亮度LED灯11正对摄像系统进行补光。其中电解液为0.5mol/L的硫酸钠溶液，光电阳极采用TiO₂纳米棒薄膜电极，阴极为铂丝电极，摄像机拍摄频率设置为5000Hz，显微镜放大倍率为8×，激光器功率取1～19mW，电化学工作站的恒电压设置为0～0.2V，精密电子快门的有效开关时间范围是0.01s～9999s。这里需要提出以下声明，对于本发明提出的技术方案，光电阳极使用TiO₂薄膜电极，也可使用同类型其他光催化材料代替；电解液使用浓度为0.5mol/L的硫酸钠溶液，也可使用其他浓度的其他溶液作为电解液；为方便激光透射和高速摄像的拍摄，反应池为长方体的石英玻璃槽，但反应器材质和形状可以被代替；斩光器使用精密电子快门，也可使用其他型号的类似功能的斩光器代替；CS350电化学工作站提供和记录分析电化学信号，但型号不限于此，若不需电化学信号也可取消电化学工作站的使用；激发光源为波长376nm的半导体激光器，也可使用其他波长的不同型号激光器代替；高速摄像系统也可采用不同型号的高速摄像机和显微镜，高亮度LED补光灯型号不限。

本发明的创新方法主要体现在，通过可调节开关时间的精密电子快门对激发光源进行斩光，控制光电极表面附近气泡的动力学行为与特性，包括反弹、碰撞壁面、滑移、合并和气泡脱离直径变小等行为，从而有效控制气泡行为对系统的传热传质效率的影响。

本发明基于上述装置与方法，给出以下实施例：

实施例1：电极表面气泡反弹行为

本实施例将叙述获得气泡反弹行为的方法，并对该行为进行较为详细的描述，具体实施如下：

实施例条件：电解液为0.5mol/L的Na₂SO₄溶液，激光功率13mW，施加偏压0V，设置快门打开时间为0.1s，关闭时间为0.05s。

实施例结果：图3即为上述实施条件下气泡位置与半径大小随时间变化曲线图，坐标(x，y)代表气泡相对生长点的位置，x方向垂直于壁面，y方向平行于壁面，图中垂直虚线代表快门开关时刻。由曲线可知，气泡在最终脱离之前经历了六次脱离和五次反弹，以下对气泡反弹行为进行详细描述：

1.快门打开时，气泡在电极表面的激光照射中心成核生长，或者在照射中心附近成核后滑移至照射中心生长，气泡半径随照射时间变大，球心x坐标变大，而y坐标位置相对保持不变，此阶段气泡附着在壁面生长；

2.快门关闭时，气泡立即脱离表面并停止生长，即半径大小不随时间变化，气泡位置在x、y方向均相对变大，y方向匀速，x方向变速运动；

3.快门再次打开时，气泡在x方向距离达到最大且开始反向运动，y方向继续匀速上升，气泡大小保持不变，当快门打开一段时间后，气泡匀速上升到最高位置，下一刻气泡迅速回到电极表面，即x、y坐标迅速变小，碰撞电极表面后气泡滑移至照射位置继续生长，进入下一次循环过程；

4.气泡每次脱离上升，在竖直方向均为匀速运动，随着气泡直径的增加，气泡上升速度增加，且每次反弹后脱离表面的时间在增加，因此上升的距离越来越大，最终脱离电极表面。

由以上的分析可知，气泡在发生反弹行为的同时，也会在壁面上发生碰撞与滑移行为，如果适当改变工况，还可以获得气泡的合并行为，而且由于快门的打开时间足够小，气泡的脱离直径比无斩光时的脱离直径小，这些行为将在后面的实施例中给出。

实施例2：快门开关时间影响气泡反弹规律

上面的实施例给出了获得气泡反弹行为的方法并对反弹行为进行了详细地描述，本实施例将通过设置不同的快门开关时间来获得对应的气泡反弹规律，具体实施如下：

实施例条件：电解液为0.5mol/L的Na₂SO₄溶液，激光功率13mW，施加偏压0V。当探究快门打开时间对气泡生长周期和反弹次数的影响时，设置关闭时间为0.05s，当探究快门关闭时间对气泡生长周期和反弹次数的影响时，设置打开时间为0.075s。

实施例结果：图4给出了快门开关时间对气泡平均反弹次数和生长周期的影响。快门关闭时间一定时，随着打开时间的增加，反弹次数减小，生长周期增加，当打开时间大于1s时反弹现象消失，生长周期等于打开时间，打开时间大于26s(气泡在无斩光时的正常生长周期)时，气泡生长周期保持26s不变；快门打开时间一定时，随着快门关闭时间的增加，气泡平均反弹次数和生长周期均减小，当关闭时间大于0.2s时反弹现象消失，气泡平均生长周期约等于快门打开时间。

实施例3：斩光控制气泡在壁面发生滑移与合并行为

本实施例中气泡的滑移与合并发生在气泡的一次反弹过程中，具体实施如下：

实施例条件：电解液为0.5mol/L的Na₂SO₄溶液，激光功率13mW，施加偏压0V，设置快门打开时间为0.075s，关闭时间为0.2s。

实施例结果：本实施例中给出的快门开关时间可以控制气泡在壁面发生滑移和合并，如图5所示。图中上方的气泡在快门打开后发生反弹并在壁面滑移，同时在照射位置产生一个新的气泡并长大，当反弹的气泡滑移至生长点后，先将新气泡挤下去一段距离随后发生合并变形，最后合并后的气泡脱离壁面而上升，这种气泡合并后因重心发生改变而导致的脱离与实施例2中因快门关闭而发生脱离原因不同。

实施例4：斩光使气泡脱离直径变小

当快门打开时间小于无斩光时气泡的生长时间时，气泡会提前脱离，因此脱离直径和生长时间都会减小，本实施例中给出了气泡未发生反弹情况下，斩光对脱离直径的影响规律，具体实施如下：

实施例条件：电解液为0.5mol/L的Na₂SO₄溶液，激光功率1-19mW，施

加偏压0.02-0.18V，快门打开时间为2s，关闭时间为0.15s。

实施例结果：本实施例中由于快门开关时间足够大，气泡在快门关闭后立即脱离壁面，气泡不发生反弹，因此快门打开时间即为气泡的生长时间。在不同的激光功率和偏压下，气泡的脱离直径与无斩光时气泡脱离直径的比值不同，表1给出了不同工况下的比值大小。

表1不同工况下的气泡脱离直径之比

从表1中可以看出，不同恒偏压下，激光功率越大，气泡脱离直径的比值越小，即斩光对脱离直径的影响越大。如在激光功率为1mW时，脱离直径为无斩光条件下的80％-95％，而在激光功率为19mW时，脱离直径只有无斩光条件下的40％左右，结果如图6所示。

需要说明的是，以上所述实施例只是基于本发明的装置与方法能够实现的部分例子，本发明不限于这些实施例，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，其特征在于：包括光源系统、斩光系统、反应系统和摄像系统，所述光源系统产生激发光束，聚焦后的光束通过斩光系统，被斩光的激发光束入射到反应系统，摄像系统记录反应系统中产生的气泡行为，其中光源系统包括激光器(1)和聚焦透镜(2)，斩光系统包括电子快门(3)和精密定时器(4)，反应系统包括反应池(6)和电化学工作站(7)，摄像系统包括高速摄像(8)和显微镜(9)。

2.根据权利要求1所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，其特征在于，激光器(1)、聚焦透镜(2)和电子快门(3)加装在精密共轴光学导轨(5)上，电子快门(3)连接精密定时器(4)，入射光源与反应池(6)内的TiO₂光电极垂直，摄像系统安装在三维调节架(10)上，高亮度LED灯(11)正对摄像系统。

3.一种基于权利要求1或2所述装置通过斩光控制光电极表面气泡行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，调节光源系统和反应系统，使电极表面连续均匀地产生气泡；

步骤二，利用斩光系统对光源进行斩光，调节电子快门开关时间0.01s-9999s，得到对应的气泡行为；

步骤三，摄像系统从反应池侧面对电极表面产生的气泡行为进行拍摄，高亮度LED灯正对摄像机进行补光；

步骤四，导出摄像系统记录的气泡图片，用图像处理软件分析气泡行为。

4.根据权利要求3所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的方法，其特征在于，步骤一中所述的反应系统采用恒电压极化的光电催化方式或者纯光催化方式使阳极表面产生气泡。

5.根据权利要求3所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的方法，其特征在于，步骤二中的电子快门打开时激发光束照射在电极表面，电子快门关闭则遮挡光束照射电极表面，电子快门的开关时间通过精密定时器进行设置。

6.根据权利要求3所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的方法，其特征在于，步骤二中所述的气泡行为，包括反弹、碰撞壁面、滑移、合并和气泡脱离直径变小，其中碰撞、滑移与合并发生在反弹过程中。

7.根据权利要求6所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的方法，其特征在于，气泡反弹、碰撞壁面和滑移要求电子快门打开时间0～5s，电子快门关闭时间0～1s，气泡合并要求电子快门打开时间0.01s～0.1s，电子快门关闭时间0.01s～0.2s，气泡脱离直径变小要求电子快门打开时间小于气泡无斩光时的生长时间。