CN107907581B - 一种磁光协同的电催化剂评价装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁光协同的电催化剂评价装置，由电化学反应单元、电化学测试单元、磁场发生单元和光照控制单元组成。所述电化学反应单元包括电解池、工作电极、参比电极和对电极。所述工作电极是涂覆待测催化剂薄膜的旋转圆盘电极或旋转环盘电极，位于磁场发生单元产生的稳恒磁场中。所述磁场发生单元为电催化反应提供稳恒磁场。所述光照控制单元为电催化反应提供光照，光照射在电化学反应单元的工作电极上。

Description

一种磁光协同的电催化剂评价装置
技术领域
本发明涉及一种电催化剂评价装置。
背景技术
风力发电、光伏发电、太阳能光热发电等可再生能源电力在世界范围内取得了飞速发展，但对可再生能源的消纳能力不足及其并网时对电网稳定性的威胁，已经成为制约可再生能源发电产业发展的主要原因。利用可再生能源电力分解水制氢从而将电能转化为化学能存储起来已越来越受到重视。氢储能的能量密度高且无污染，是一种可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备技术方式，被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。
电解水的理论分解电压为1.23V，但在真实溶液环境和实际操作中由于氧气和氢气生成过程中的过电位、电解液电阻、气泡效应、电极接触及其它电阻等造成的电能损耗的存在，实际的槽工作电压常远远高出理论值，因此探索低能耗且廉价的水电解制氢工艺是氢能开发利用亟待解决的重要课题。
理论上，利用磁场、光场等外场可强化电催化反应过程。比如，适当的光照条件可促进反应体系中激发态分子、自由基离子等具有较强反应活性的中间体物种的形成。适当的磁场施加会通过对电子自旋态的调控改变反应体系中催化剂表面能级结构和自由基反应过程。而且，同时施加磁场和光照会产生叠加和协同效应。因此，研究磁光协同的电解水性能有助于发展廉价高效的水电解制氢工艺。
但是，传统的电化学系统不适合开展磁光协同条件下的电解水催化反应过程的研究，主要问题有：
(1)若在传统电解池上直接施加磁场，磁场会通过洛仑兹力作用影响电极表面的传质过程，使客观评价磁光协同条件下的电催化剂的电化学反应动力学过程很困难。
(2)水电解过程会有大量气泡产生，既妨碍电极表面传质过程，也会遮盖电催化剂表面活性位点，而且气泡在电催化剂表面的吸/脱附过程是动态变化的，不利于准确评价磁光协同条件下的电催化剂的电化学反应动力学过程。
(3)传统三电极电解池中的三个电极在空间上彼此距离较近，当向工作电极施加磁场和光照时，不可避免会也会影响参比电极和对电极，不利于准确评价磁光协同条件下工作电极上的电催化反应过程。
目前国内外尚没有研究磁光协同的电解水催化反应动力学的实验装置。以往研究磁场下电解水反应的实验装置都是直接向传统的三电极电解池施加磁场(如文献Kaya,Mehmet Fatih,et al."Investigation of alkaline water electrolysis performancefor different cost effective electrodes under magnetic field."InternationalJournal of Hydrogen Energy(2017),42,17583.Elias,Liju,and A.ChitharanjanHegde."Effect of Magnetic Field on HER of Water Electrolysis on Ni–W Alloy."Electrocatalysis(2017):1.)，这样无法将磁场引起的传质过程变化与磁场引起的电极表面电子转移过程变化区分开来；以往研究光照下电解水反应的实验装置都是采用普通电极(如文献Liu,Guigao,et al."Promoting active species generation by plasmon-induced hot-electron excitation for efficient electrocatalytic oxygenevolution."Journal of the American Chemical Society 138.29(2016):9128.Shi,Yi,et al."Hot electron of Au nanorods activates the electrocatalysis of hydrogenevolution on MoS2nanosheets."Journal of the American Chemical Society 137.23(2015):7365.)，这样无法消除电化学反应产生的气泡对工作电极表面光照的不良影响。因此，设计一种适用于研究磁光协同条件下的电解水催化剂评价装置成为本领域技术人员亟待解决的一个重要问题。
发明内容
本发明针对气体析出电极过程，提出一种磁光协同的电催化剂评价装置，本发明可用于研究磁光协同条件下的电催化反应动力学过程。
本发明电催化剂评价装置包括：电化学反应单元、电化学测试单元、磁场发生单元和光照控制单元。电化学反应单元是实现电催化反应的场所，所述电化学反应单元包括电解池、工作电极、参比电极和对电极。所述电解池具有至少一个光学窗口。工作电极是涂覆有待测催化剂薄膜的旋转圆盘电极或旋转环盘电极。参比电极用于作为测量或施加工作电极电位的基准。对电极用于导通电路，与工作电极组成一个串联回路。电化学测试单元与电化学反应单元相连接，用于电极电位控制和电化学信息采集。磁场发生单元为电催化反应提供稳恒磁场，电化学反应单元的工作电极位于磁场发生单元产生的稳恒磁场中。光照控制单元为电催化反应提供光照，光照控制单元由光源和导光部件组成。所述光源位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外。光源产生的光通过导光部件引导，透过所述电化学反应单元电解池的光学窗口照射到所述工作电极上的催化剂薄膜上。
所述电解池由工作电极室、参比电极室和对电极室组成。工作电极室、参比电极室和对电极室内灌注有电解液。工作电极室与参比电极室相通。工作电极室与对电极室通过离子交换膜相连通。所述工作电极室具有至少一个气体导入管和一个气体导出管，以及至少一个光学窗口。外部气体通过工作电极室的气体导入管被通入电解液，使电解液饱和。工作电极室的气体导出管将从电解液溢出的气体导出电解池。对电极室具有至少一个气体导入管和至少一个气体导出管。外部气体通过对电极室的气体导入管被通入电解液，使电解液饱和。对电极室的气体导出管将从电解液溢出的气体导出电解池。所述工作电极放置于所述工作电极室内。所述参比电极放置于所述参比电极室内，通过鲁金毛细管连接到所述工作电极附近，可大幅减少所述工作电极与参比电极之间的溶液欧姆电位降，从而较为精确地测定或控制所述工作电极的电极电位。所述对电极放置于所述对电极室内。
所述电化学测试单元是电化学工作站。所述电化学反应单元的工作电极、参比电极和对电极分别与电化学工作站的相应端口连接。
所述磁场发生单元包括电磁铁和励磁电源。电磁铁布置在电化学反应单元周边。电化学反应单元的工作电极室放置于电磁铁两个极柱之间的气隙中，参比电极室和对电极室位于电磁铁的磁场外。励磁电源为电磁铁供电。控制流经电磁体的电流大小，可对工作电极表面被测催化剂薄膜施加不同强度的磁场。
所述光照控制单元的导光部件包括光纤和透镜。
利用本发明评价催化剂性能时，将催化剂和粘结剂超声分散在溶剂中制得浆料，取一定体积的浆料均匀滴在工作电极表面，即旋转圆盘电极的表面或旋转环盘电极的盘电极表面，自然干燥，形成催化剂薄膜。
本发明工作时，工作电极高速旋转，在同时向催化剂施加磁场和光照的条件下，电化学测试单元对工作电极上的催化剂薄膜进行电催化性能测试，包括：线性扫描伏安测试、循环伏安测试、交流阻抗测试、计时电流/电压测试等，从而评价催化剂的性能。
控制流经电磁体的电流大小，可实现对工作电极表面上被测催化剂薄膜施加不同强度的磁场。
由于光源在磁场外，磁场变化不会影响光源的发光性能，从而使光能与磁能可以相互独立调节。
本发明的电催化剂评价装置具有以下有益效果：
(1)本发明的电催化剂评价装置通过工作电极的旋转有效控制电极过程中传质扩散步骤，能消除磁流体动力学和气泡在电极表面生成和脱附过程对电催化剂催化性能评价的不利影响，为准确评价磁场对电化学反应动力学的影响提供了条件。
(2)本发明的电催化剂评价装置通过工作电极的旋转促进生成气体从电极表面脱附，能有效消除气泡对工作电极表面光照的不良影响，为准确评价光照对电化学反应动力学的影响提供了条件。
(3)本发明的电催化剂评价装置采用三室电解池结构，工作电极、参比电极和对电极各居一室，空间上的隔离可有效避免向工作电极施加的磁场和光照条件对参比电极和对电极也产生影响，有利于客观评价磁场和光照对电催化剂催化性能的影响。
(4)利用本发明的电催化剂评价装置可同时向工作电极施加磁场和光照，为研究磁光协同的电催化反应提供了条件。
(5)本发明采用了导光部件引导的光照方式，这样可使光源远离磁场，避免由磁场引起的光源发光性能的变化，有利于客观评价不同形式能量对驱动催化反应的贡献。
附图说明
图1是本发明的电化学反应单元的结构示意图；
图2是本发明电催化剂评价装置的结构示意图；
图3是本发明电催化剂评价装置中电解池与电磁铁的相对位置俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。
图2是本发明评价装置的一个实施例。如图2所示，本发明评价装置由电化学反应单元14、电化学测试单元15、磁场发生单元和光照控制单元组成。电化学反应单元14是实现电催化反应的场所，电化学测试单元15与电化学反应单元14相连接，电化学测试单元15用于电极电位控制和电化学信息采集。磁场发生单元用于给电催化反应提供稳恒磁场，电化学反应单元14的工作电极5位于磁场发生单元产生的稳恒磁场中。光照控制单元为电催化反应提供光照，光照射在电化学反应单元14的工作电极5上。
光照控制单元由光源18和导光部件组成。所述光源18位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外。光源18发出的光由导光部件引导照射在电化学反应单元14的工作电极5上的催化剂薄膜上。
磁场发生单元包括电磁铁16和励磁电源17。电磁铁16与励磁电源17通过导线相连，电磁铁16的两个极柱之间的气隙中形成稳恒磁场。
如图1所示，所述电化学反应单元14包括电解池、工作电极5、参比电极9和对电极10。电解池由聚四氟乙烯材料加工而成，由工作电极室1、参比电极室2和对电极室3组成，参比电极室2和对电极室3分别位于工作电极室1的两侧，工作电极室1与参比电极室2相通，工作电极室1与对电极室3通过离子交换膜4相连通。工作电极室1、参比电极室2和对电极室3内灌注有电解液。工作电极室1具有一个气体导入管7和一个气体导出管8，分别用于向电解液中注入气体，以改变电解液中溶解气体的成分和向电解池外排出气体。对电极室3具有一个气体导入管11和一个气体导出管12，分别用于向电解液中注入气体，以改变电解液中溶解气体的成分和向电解池外排出气体。所述工作电极5放置于所述工作电极室1内，参比电极9和对电极10分别放置在参比电极室2和对电极室3，与工作电极5在空间上保持一定距离，可有效减少向工作电极5施加磁场和光照时给参比电极9和对电极10带来的影响。参比电极9通过鲁金毛细管13连接到工作电极5附近，从而可较精确地测量和控制工作电极5的电极电位。工作电极室1具有一个光学窗口6。工作电极5是涂覆有待测催化剂薄膜的旋转圆盘电极或旋转环盘电极。工作电极5通过工作电极室1上盖的电极插孔竖直固定在工作电极室1中，工作电极5的表面正对位于工作电极室1下部的光学窗口6，以便能够接受光照。光照控制单元提供的光照射在所述工作电极5的催化剂薄膜上。
如图3所示，电化学反应单元14的工作电极室1放置于电磁铁16两个极柱之间的气隙中，参比电极室2和对电极室3位于电磁铁16的磁场外。
光照控制单元由氙灯光源18和导光部件组成。所述的导光部件包括光纤19和透镜20。氙灯光源18发出的光首先耦合进光纤19，经光纤19引导传输后再通过透镜20射出，这样可使氙灯光源18远离磁场空间放置，以避免磁场变化对光源发光性能的影响。氙灯光源18发出的光由耦合光纤19引导，透过电化学反应单元14的光学窗口6照射到工作电极5表面的催化剂薄膜上。
所述电化学测试单元15是电化学工作站。所述电化学反应单元的工作电极5、参比电极9和对电极10分别与电化学工作站的相应端口连接。
利用本发明评价催化剂性能时，将催化剂和粘结剂超声分散在溶剂中制得浆料，取一定体积的浆料均匀滴在工作电极5的表面，即旋转圆盘电极的表面或旋转圆盘电极的盘电极表面，自然干燥，形成催化剂薄膜，如实施例：在10ml的样品瓶中加入5mg催化剂，1ml异丙醇，超声30min，再加入质量浓度5％Nafion溶液50μl，超声30min。取10μl上述分散好的浆料，分四次滴涂在旋转圆盘电极的表面或旋转环盘电极的盘电极表面，自然干燥，形成催化剂薄膜。
向电化学反应单元14的工作电极室1、参比电极室2和对电极室3内加入1M的KOH溶液，放置工作电极5、Hg/HgO参比电极9和石墨棒对电极10，将三个电极分别与电化学工作站连通，通过工作电极室1的气体导入管7向电解液通入O2气，使电解液饱和。通过对电极室3的气体导入管11向电解液通入H2气，使电解液饱和。
高速旋转工作电极5，在同时施加磁场和光照的条件下，利用电化学工作站对工作电极5上的催化剂薄膜进行电催化性能测试，包括：线性扫描伏安测试、循环伏安测试、交流阻抗测试、计时电流/电压测试等，从而评价催化剂的性能。
氙灯光源18发出的光依次经光纤19、透镜20、光学窗口6照射到工作电极5表面上的被测催化剂薄膜。可调控氙灯光源18的输出光，如通过改变电流可调节输出光强，通过加入滤光片可调节输出波长等。
通过改变励磁电源17输出电流调控位于电磁铁16的两个极柱间的磁场强度，使工作电极5表面上被测催化剂薄膜被加载不同强度的磁场。

Claims (2)

1.一种磁光协同的电催化剂评价装置，其特征在于：所述的电催化剂评价装置包括电化学反应单元(14)、电化学测试单元(15)、磁场发生单元和光照控制单元；电化学反应单元(14)是实现电催化反应的场所，电化学测试单元(15)与电化学反应单元(14)相连接，电化学测试单元(15)用于电极电位控制和电化学信息采集；磁场发生单元为电催化反应提供稳恒磁场，电化学反应单元(14)的工作电极(5)位于磁场发生单元产生的稳恒磁场中；光照控制单元为电催化反应提供光照，光照射在电化学反应单元(14)的工作电极(5)上；
所述的电化学反应单元(14)包括电解池、工作电极(5)、参比电极和对电极；所述电解池由工作电极室(1)、参比电极室(2)和对电极室(3)组成；工作电极室(1)、参比电极室(2)和对电极室(3)内灌注有电解液；工作电极室(1)与参比电极室(2)相通；工作电极室(1)与对电极室(3)通过离子交换膜相连通；工作电极室(1)具有至少一个气体导入管和至少一个气体导出管，以及至少一个光学窗口；外部气体通过工作电极室(1)的气体导入管被通入电解液，使电解液饱和；工作电极室(1)的气体导出管将从电解液溢出的气体导出电解池；对电极室(3)具有至少一个气体导出管；对电极室(3)的气体导出管将从电解液溢出的气体导出电解池；所述工作电极(5)放置于所述工作电极室(1)内；所述参比电极放置于所述参比电极室(2)内，通过鲁金毛细管(13)连接到所述工作电极(5)附近；所述对电极放置于所述对电极室(3)内；工作电极(5)是涂覆有待测催化剂薄膜的旋转圆盘电极或旋转环盘电极，
其特征在于：所述光照控制单元由光源(18)和导光部件组成，所述光源(18)位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外，光源(18)产生的光通过导光部件引导，透过所述电化学反应单元(14)的工作电极室(1)的光学窗口(6)照射到所述工作电极(5)上的催化剂薄膜。
2.如权利要求1所述的磁光协同的电催化剂评价装置，其特征在于：所述的磁场发生单元包括电磁铁(16)和励磁电源(17)；电磁铁(16)与励磁电源(17)相连，电磁铁(16)的两个极柱之间的气隙中形成稳恒磁场；电化学反应单元(14)的工作电极室(1)放置于电磁铁(16)两个极柱之间的气隙中，参比电极室(2)和对电极室(3)位于电磁铁(16)的磁场外。
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