CN109898092A - 一种双反应电极半电解水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种双反应电极半电解水装置。其技术方案是:电解池(8)中的反应电极Ⅰ(5)和反应电极Ⅱ(10)位于电容电极(2)的两侧或另一侧;或在电解池(8)的内壁和底部铺设有电容电极(2),铺设有电容电极(2)的电解池(8)内装有电解液(9),反应电极Ⅰ(5)和反应电极Ⅱ(10)位于电解液(9)中。集流体Ⅰ(3)与电源(1)的正极连接,集流体Ⅱ(6)与电源(1)的负极连接,反应电极本体Ⅰ(7)上析出氢气;或集流体Ⅰ(3)与电源(1)的负极连接,集流体Ⅲ(11)与电源(1)的正极连接,反应电极本体Ⅱ(12)上析出氧气。本发明具有避免气体混合、降低装置成本、提高电解速率和能显著降低电解能耗的特点。
Description
技术领域
本发明属于半电解水装置技术领域。具体涉及一种双反应电极半电解水装置。
背景技术
氢气作为零排放燃料和清洁能源载体,具有最高的比能量143MJ kg-1。氢气能用作质子交换膜燃料电池的负极反应气体,使之能为电力电子设备提供电源。而质子交换膜燃料电池的正极反应气体为氧气。目前,电解水同时在两个电极上分别产生氢气和氧气,需要隔膜隔离氢气和氧气。为防止氢气和氧气渗透隔膜,应用的电解电流较低(Q.Feng et.al.,A review of proton exchange membrane water electrolysis ondegradationmechanisms and mitigation strategies, J.Power Sources 2017,366,33-55;Y.Lenget.al.,Solid-State Water Electrolysis with an Alkaline Membrane,J.Am.Chem.Soc.2012,134,9054-9057.)。总之,电解水技术目前存在电解速率低、气体易混合、隔膜成本高、电解电压高等缺点,亟需解决。
半电解是一个新方法,它依靠电容电极辅助,在反应电极上仅仅发生需要的半反应,以此来消除另一个不需要的半反应。半电解能降低电解能耗(C.Peng et.al.,Achieving low voltage half electrolysis with asupercapacitor electrode,EnergyEnviron.Sci.,2014,7,1018-1022.),但该半电解在反应电极上仅进行一种吡咯氧化聚合的半反应,而半电解水实现了分步制氢气和氧气的全反应。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷,目的是提供一种避免气体混合、降低装置成本、提高电解速率和能显著降低电解能耗的双反应电极半电解水装置。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
所述双反应电极半电解水装置包括电源、电容电极、反应电极Ⅰ、电解池、电解液、反应电极Ⅱ和电解池盖。
所述双反应电极半电解水装置的结构为:电解池和电解池盖间设有密封圈Ⅰ,电解池和电解池盖通过螺栓固定连接,电解池盖设有集气管,集气管与电解池相通;电解池中装有电解液,电解液中设有电容电极、反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ,反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ位于电容电极的两侧或另一侧。
所述双反应电极半电解水装置的结构或为:电解池和电解池盖间设有密封圈Ⅰ,电解池和电解池盖通过螺栓固定连接,电解池盖设有集气管,集气管与电解池相通;在电解池的内壁和底部铺设有电容电极,铺设有电容电极的电解池内装有电解液,反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ位于电解液中。
所述电容电极是由集流体Ⅰ和电容电极本体组成的整体,电容电极的形状为板状或形状与电解池相似,在集流体Ⅰ的一侧或两侧紧贴有所述电容电极本体。所述反应电极Ⅰ是由集流体Ⅱ和反应电极本体Ⅰ组成的整体,反应电极Ⅰ的形状为板状、柱状和栅状中的一种,在集流体Ⅱ的一侧或两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ。所述反应电极Ⅱ是由集流体Ⅲ和反应电极本体Ⅱ组成的整体,反应电极Ⅱ的形状为板状、柱状和栅状中的一种,在集流体Ⅲ的一侧或两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ。
与所述集流体Ⅰ连接的导线穿过电解池盖的导线孔与电源的正极连接,与所述集流体Ⅱ连接的导线穿过电解池盖的导线孔与电源的负极连接。或与所述集流体Ⅰ连接的导线穿过电解池盖的导线孔与电源的负极连接,与所述集流体Ⅲ连接的导线穿过电解池盖的导线孔与电源的正极连接。
所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ。
所述集流体Ⅰ的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述集流体Ⅱ的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述集流体Ⅲ的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述电容电极本体的材质为活性炭、石墨烯、氧化钌、氧化锰、聚苯胺和聚吡咯中的一种。
所述反应电极本体Ⅰ的材质为铂、镍、镍钼合金、钴钼合金、铜钛合金、硫化钼、二硫化钴、二硒化镍、二硒化钴、磷化钴、磷化镍、磷化钼、磷化铁、碳化钼、铁掺杂的二硫化三镍、铁镍层状双氢氧化物中的一种。
所述反应电极本体Ⅱ的材质为氧化铱、氧化钌、铂、硫化镍、镍铁氧化物、铁钴钨氧化物、铁钴钨氢氧化物、铁镍层状双氢氧化物、铁掺杂的二硫化三镍中的一种。
所述电解液为水、硫酸水溶液、盐酸水溶液、硝酸水溶液,氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氨水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸钾水溶液、硫酸锂水溶液、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液、氯化锂水溶液、氯化镁水溶液、氯化钙水溶液中的一种。
所述电源输出恒电流、或输出恒电压、或输出线性变化电压;所述恒电流为0.001~16A;所述恒电压为0.8~2.3V;所述线性变化电压的电压变化速率0.5~1000mVs-1,所述线性变化电压的电压范围为0~2.3V。
由于采用上述技术方案,本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
本发明在电解池中设有电容电极、反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ,反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ位于电容电极的两侧或另一侧;或在电解池的内壁和底部铺设有电容电极,铺设有电容电极的电解池内装有电解液,反应电极Ⅰ和反应电极Ⅱ位于电解液中。结构简单,装置成本低。
本发明的集流体Ⅰ与电源的正极连接,集流体Ⅱ与电源的负极连接,在反应电极本体Ⅰ上析出氢气;或本发明的集流体Ⅰ与电源的负极连接,集流体Ⅲ与电源的正极连接,在所述反应电极本体Ⅱ上析出氧气。本发明用双反应电极半电解水装置实现了分步制氢气和氧气,解决了目前电解水存在的氢气和氧气的混合问题,不需要隔膜。由于该装置省去了隔膜,与传统电解水装置相比,降低了装置成本。因为避免了气体混合,所以能应用大电流提高电解速率。省去隔膜降低了电解电压,双反应电极半电解水装置的两个反应电极由于采用不同的氢气逸出催化材料和氧气逸出催化材料,能分别针对氢气或氧气逸出反应显著降低电解能耗。
因此,本发明具有避免气体混合、减少装置成本、提高电解速率和能显著降低电解能耗的特点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图;
图2为本发明的第二种结构示意图;
图3为本发明的第三种结构示意图;
图4为本发明的第四种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述,并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中:
所述集流体Ⅰ3的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述集流体Ⅱ6的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述集流体Ⅲ11的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
所述电容电极本体4的材质为活性炭、石墨烯、氧化钌、氧化锰、聚苯胺和聚吡咯中的一种。
所述反应电极本体Ⅰ7的材质为铂、镍、镍钼合金、钴钼合金、铜钛合金、硫化钼、二硫化钴、二硒化镍、二硒化钴、磷化钴、磷化镍、磷化钼、磷化铁、碳化钼、铁掺杂的二硫化三镍、铁镍层状双氢氧化物中的一种。
所述反应电极本体Ⅱ12的材质为氧化铱、氧化钌、铂、硫化镍、镍铁氧化物、铁钴钨氧化物、铁钴钨氢氧化物、铁镍层状双氢氧化物、铁掺杂的二硫化三镍中的一种。
所述电解液9为水、硫酸水溶液、盐酸水溶液、硝酸水溶液,氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氨水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸钾水溶液、硫酸锂水溶液、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液、氯化锂水溶液、氯化镁水溶液、氯化钙水溶液中的一种。
所述电源1输出恒电流、或输出恒电压、或输出线性变化电压;所述恒电流为0.001~16A;所述恒电压为0.8~2.3V;所述线性变化电压的电压变化速率0.5~1000mVs-1,所述线性变化电压的电压范围为0~2.3V。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种双反应电极半电解水装置。所述装置如图1所示,所述装置包括电源1、电容电极2、反应电极Ⅰ5、电解池8、电解液9、反应电极Ⅱ10和电解池盖14。
如图1所示:电解池8和电解池盖14间设有密封圈Ⅰ13,电解池8和电解池盖14通过螺栓固定连接,电解池盖14设有集气管15,集气管15与电解池8相通;电解池8中装有电解液9,电解液9中设有电容电极2、反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10,反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电容电极2的两侧。
如图1所示:所述电容电极2是由集流体Ⅰ3和电容电极本体4组成的整体;电容电极2的形状为板状,在集流体Ⅰ3的两侧紧贴有所述电容电极本体4。所述反应电极Ⅰ5是由集流体Ⅱ6 和反应电极本体Ⅰ7组成的整体,反应电极Ⅰ5的形状为柱状,在集流体Ⅱ6的两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7。所述反应电极Ⅱ10是由集流体Ⅲ11和反应电极本体Ⅱ12组成的整体,反应电极Ⅱ10的形状为柱状,在集流体Ⅲ11的两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
如图1所示:与所述集流体Ⅰ3连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的正极连接,与所述集流体Ⅱ6连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的负极连接。本实施例在反应电极本体Ⅰ7上析出氢气。
如图1所示:所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ16。
实施例2
一种双反应电极半电解水装置。除下述技术参数外,其余同实施例1:
所述反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电容电极2的另一侧;
所述集流体Ⅰ3的一侧紧贴有电容电极本体4;
所述反应电极Ⅰ5的形状为板状和栅状中的一种;
所述集流体Ⅱ6的一侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7;
反应电极Ⅱ10的形状为板状和栅状中的一种;
集流体Ⅲ11的一侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
实施例3
一种双反应电极半电解水装置。所述装置如图2所示,所述装置包括电源1、电容电极2、反应电极Ⅰ5、电解池8、电解液9、反应电极Ⅱ10和电解池盖14。
如图2所示:电解池8和电解池盖14间设有密封圈Ⅰ13,电解池8和电解池盖14通过螺栓固定连接,电解池盖14设有集气管15,集气管15与电解池8相通;电解池8中装有电解液9,电解液9中设有电容电极2、反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10,反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电容电极2的两侧。
如图2所示:所述电容电极2是由集流体Ⅰ3和电容电极本体4组成的整体;电容电极2的形状为板状,在集流体Ⅰ3的两侧紧贴有所述电容电极本体4。所述反应电极Ⅰ5是由集流体Ⅱ6 和反应电极本体Ⅰ7组成的整体;反应电极Ⅰ5的形状为柱状,在集流体Ⅱ6的两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7。所述反应电极Ⅱ10是由集流体Ⅲ11和反应电极本体Ⅱ12组成的整体,反应电极Ⅱ10的形状为柱状,在集流体Ⅲ11的两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
如图2所示:与所述集流体Ⅰ3连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的负极连接,与所述集流体Ⅲ11连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的正极连接。本实施例在反应电极本体Ⅱ12上析出氧气。
如图2所示:所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ16。
实施例4
一种双反应电极半电解水装置。除下述技术参数外,其余同实施例3:
所述反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电容电极2的另一侧;
所述集流体Ⅰ3的一侧紧贴有电容电极本体4;
所述反应电极Ⅰ5的形状为板状和栅状中的一种;
所述集流体Ⅱ6的一侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7;
反应电极Ⅱ10的形状为板状和栅状中的一种;
集流体Ⅲ11的一侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
实施例5
一种双反应电极半电解水装置。所述装置如图3所示,所述装置包括电源1、电容电极2、反应电极Ⅰ5、电解池8、电解液9、反应电极Ⅱ10和电解池盖14。
如图3所示:电解池8和电解池盖14间设有密封圈Ⅰ13,电解池8和电解池盖14通过螺栓固定连接,电解池盖14设有集气管15,集气管15与电解池8相通;在电解池8的内壁和底部铺设有电容电极2,铺设有电容电极2的电解池8内装有电解液9,反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电解液9中。
如图3所示:所述电容电极2是由集流体Ⅰ3和电容电极本体4组成的整体;电容电极2的形状与电解池8相似,在集流体Ⅰ3的两侧紧贴有所述电容电极本体4。所述反应电极Ⅰ5是由集流体Ⅱ6和反应电极本体Ⅰ7组成的整体;反应电极Ⅰ5的形状为柱状,在集流体Ⅱ6的两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7。所述反应电极Ⅱ10是由集流体Ⅲ11和反应电极本体Ⅱ12组成的整体;反应电极Ⅱ10的形状为柱状,在集流体Ⅲ11的两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
如图3所示:与所述集流体Ⅰ3连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的正极连接,与所述集流体Ⅱ6连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的负极连接。本实施例在反应电极本体Ⅰ7上析出氢气。
如图3所示:所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ16。
实施例6
一种双反应电极半电解水装置。除下述技术参数外,其余同实施例5:
所述集流体Ⅰ3的一侧紧贴有电容电极本体4;
所述反应电极Ⅰ5的形状为板状和栅状中的一种;
所述集流体Ⅱ6的一侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7;
所述反应电极Ⅱ10的形状为板状和栅状中的一种;
集流体Ⅲ11的一侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
实施例7
一种双反应电极半电解水装置。所述装置如图4所示,所述装置包括电源1、电容电极2、反应电极Ⅰ5、电解池8、电解液9、反应电极Ⅱ10和电解池盖14。
如图4所示:电解池8和电解池盖14间设有密封圈Ⅰ13,电解池8和电解池盖14通过螺栓固定连接,电解池盖14设有集气管15,集气管15与电解池8相通;在电解池8的内壁和底部铺设有电容电极2,铺设有电容电极2的电解池8内装有电解液9,反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电解液9中。
如图4所示:所述电容电极2是由集流体Ⅰ3和电容电极本体4组成的整体;电容电极2的形状与电解池8相似,在集流体Ⅰ3的两侧紧贴有所述电容电极本体4。所述反应电极Ⅰ5是由集流体Ⅱ6和反应电极本体Ⅰ7组成的整体;反应电极Ⅰ5的形状为柱状,在集流体Ⅱ6的两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7。所述反应电极Ⅱ10是由集流体Ⅲ11和反应电极本体Ⅱ12组成的整体;反应电极Ⅱ10的形状为柱状,在集流体Ⅲ11的两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
如图4所示:与所述集流体Ⅰ3连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的负极连接,与所述集流体Ⅲ11连接的导线穿过电解池盖14的导线孔与电源1的正极连接。本实施例在反应电极本体Ⅱ12上析出氧气。
如图4所示:所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ16。
实施例8
一种双反应电极半电解水装置。除下述技术参数外,其余同实施例7:
所述集流体Ⅰ3的一侧紧贴有电容电极本体4;
所述反应电极Ⅰ5的形状为板状和栅状中的一种;
所述集流体Ⅱ6的一侧紧贴有反应电极本体Ⅰ7;
所述反应电极Ⅱ10的形状为板状和栅状中的一种;
集流体Ⅲ11的一侧紧贴有反应电极本体Ⅱ12。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果:
本具体实施方式在电解池8中设有电容电极2、反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10,反应电极Ⅰ 5和反应电极Ⅱ10位于电容电极2的两侧或另一侧;或在电解池8的内壁和底部铺设有电容电极 2,铺设有电容电极2的电解池8内装有电解液9,反应电极Ⅰ5和反应电极Ⅱ10位于电解液9中。结构简单,装置成本低。
本具体实施方式的集流体Ⅰ3与电源1的正极连接,集流体Ⅱ6与电源1的负极连接,在反应电极本体Ⅰ7上析出氢气;或本具体实施方式的集流体Ⅰ3与电源1的负极连接,集流体Ⅲ11 与电源1的正极连接,在所述反应电极本体Ⅱ12上析出氧气。本具体实施方式用双反应电极半电解水装置实现了分步制氢气和氧气,解决了目前电解水存在的氢气和氧气的混合问题,不需要隔膜。由于该装置省去了隔膜,与传统电解水装置相比,降低了装置成本。因为避免了气体混合,所以能应用大电流提高电解速率。省去隔膜降低了电解电压,双反应电极半电解水装置的两个反应电极由于采用不同的氢气逸出催化材料和氧气逸出催化材料,能分别针对氢气或氧气逸出反应显著降低电解能耗。
因此,本具体实施方式具有避免气体混合、减少装置成本、提高电解速率和能显著降低电解能耗的特点。
Claims (9)
1.一种双反应电极半电解水装置,其特征在于所述双反应电极半电解水装置包括电源(1)、电容电极(2)、反应电极Ⅰ(5)、电解池(8)、电解液(9)、反应电极Ⅱ(10)和电解池盖(14);
所述双反应电极半电解水装置的结构为:电解池(8)和电解池盖(14)间设有密封圈Ⅰ(13),电解池(8)和电解池盖(14)通过螺栓固定连接,电解池盖(14)设有集气管(15),集气管(15)与电解池(8)相通;电解池(8)中装有电解液(9),电解液(9)中设有电容电极(2)、反应电极Ⅰ(5)和反应电极Ⅱ(10),反应电极Ⅰ(5)和反应电极Ⅱ(10)位于电容电极(2)的两侧或另一侧;
所述双反应电极半电解水装置的结构或为:电解池(8)和电解池盖(14)间设有密封圈Ⅰ(13),电解池(8)和电解池盖(14)通过螺栓固定连接,电解池盖(14)设有集气管(15),集气管(15)与电解池(8)相通;在电解池(8)的内壁和底部铺设有电容电极(2),铺设有电容电极(2)的电解池(8)内装有电解液(9),反应电极Ⅰ(5)和反应电极Ⅱ(10)位于电解液(9)中;
所述电容电极(2)是由集流体Ⅰ(3)和电容电极本体(4)组成的整体,电容电极(2)的形状为板状或形状与电解池(8)相似,在集流体Ⅰ(3)的一侧或两侧紧贴有所述电容电极本体(4);所述反应电极Ⅰ(5)是由集流体Ⅱ(6)和反应电极本体Ⅰ(7)组成的整体,反应电极Ⅰ(5)的形状为板状、柱状和栅状中的一种,在集流体Ⅱ(6)的一侧或两侧紧贴有反应电极本体Ⅰ(7);所述反应电极Ⅱ(10)是由集流体Ⅲ(11)和反应电极本体Ⅱ(12)组成的整体,反应电极Ⅱ(10)的形状为板状、柱状和栅状中的一种,在集流体Ⅲ(11)的一侧或两侧紧贴有反应电极本体Ⅱ(12);
与所述集流体Ⅰ(3)连接的导线穿过电解池盖(14)的导线孔与电源(1)的正极连接,与所述集流体Ⅱ(6)连接的导线穿过电解池盖(14)的导线孔与电源(1)的负极连接;或与所述集流体Ⅰ(3)连接的导线穿过电解池盖(14)的导线孔与电源(1)的负极连接,与所述集流体Ⅲ(11)连接的导线穿过电解池盖(14)的导线孔与电源(1)的正极连接;
所述导线孔与对应的导线间设有密封圈Ⅱ(16)。
2.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述集流体Ⅰ(3)的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
3.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述集流体Ⅱ(6)的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
4.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述集流体Ⅲ(11)的材质为金、铂、石墨、钛、镍和不锈钢中的一种。
5.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述电容电极本体(4)的材质为活性炭、石墨烯、氧化钌、氧化锰、聚苯胺和聚吡咯中的一种。
6.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述反应电极本体Ⅰ(7)的材质为铂、镍、镍钼合金、钴钼合金、铜钛合金、硫化钼、二硫化钴、二硒化镍、二硒化钴、磷化钴、磷化镍、磷化钼、磷化铁、碳化钼、铁掺杂的二硫化三镍、铁镍层状双氢氧化物中的一种。
7.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述反应电极本体Ⅱ(12)的材质为氧化铱、氧化钌、铂、硫化镍、镍铁氧化物、铁钴钨氧化物、铁钴钨氢氧化物、铁镍层状双氢氧化物、铁掺杂的二硫化三镍中的一种。
8.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述电解液(9)为水、硫酸水溶液、盐酸水溶液、硝酸水溶液,氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液、氨水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸钾水溶液、硫酸锂水溶液、氯化钠水溶液、氯化钾水溶液、氯化锂水溶液、氯化镁水溶液、氯化钙水溶液中的一种。
9.根据权利要求1所述双反应电极半电解水装置,其特征在于所述电源(1)输出恒电流、或输出恒电压、或输出线性变化电压;所述恒电流为0.001~16A;所述恒电压为0.8~2.3V;所述线性变化电压的电压变化速率0.5~1000mVs-1,所述线性变化电压的电压范围为0~2.3V。
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