CN111172552A

CN111172552A - 一种聚光三电极电解装置

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Publication number: CN111172552A
Application number: CN202010018058.4A
Authority: CN
Inventors: 付丽; 秦艾; 刘椿桦; 王晨屹
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN111172552B

Abstract

本发明公开了一种聚光三电极电解装置，包括第一分槽、第二分槽及第三分槽；第一分槽及第二分槽的侧壁均为向外凸出的凸面，且材质为石英玻璃；第一分槽、第二分槽及第三分槽均开设有电极口，用于放置电极；第一分槽和第二分槽之间设置有第一连通管，且第一连通管将第一分槽和第二分槽连通；第二分槽和第三分槽之间设置有第二连通管，且第二连通管将第二分槽和第三分槽连通。光电催化电解水过程中，由于第一分槽、第二分槽的材质为石英玻璃，因而透光性更好，保证电极材料的光照面积相同，减少外界条件引起的光损失；另外，光源照射至第一分槽、第二分槽的平行光均会在凸面的作用下汇聚。本发明具有提高光能利用率及水解性能的优点。

Description

一种聚光三电极电解装置

技术领域

本发明涉及光电催化领域，尤其涉及一种聚光三电极电解装置。

背景技术

光电催化分解水能制氢，使用该方式制氢需要完整的一套电解池，也需要光源，在实际应用中会通过太阳能作为光源，来将水分解转化为洁净的氢能，即能实现太阳能转化为氢能，是备受青睐的缓解能源危机的方式。

电解池设计及其电解液等因素都会影响光源聚集的程度，而光源聚集的程度则会影响光电催化系统的整体表现，及不利于在实验室中对半导体材料的研究，而目前的电解池设计普遍光转换率低，因而电解水性能未能充分发挥。

发明内容

为此，需要提供一种聚光三电极电解装置,以解决现有技术中光电催化分解水因聚光率低而解水性能低的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种聚光三电极电解装置，包括第一分槽、第二分槽及第三分槽；

所述第一分槽及第二分槽的侧壁均为向外凸出的凸面，且材质为石英玻璃；第一分槽、第二分槽及第三分槽均开设有电极口，用于放置电极；第一分槽和第二分槽之间设置有第一连通管，且第一连通管将第一分槽和第二分槽连通；第二分槽和第三分槽之间设置有第二连通管，且第二连通管将第二分槽和第三分槽连通。

作为本发明的一种优选结构，所述第一分槽橄榄形或水滴形；所述第二分槽为橄榄形或水滴形。

作为本发明的一种优选结构，所述第一分槽和第二分槽的侧壁弯曲角度为10度-60度。

作为本发明的一种优选结构，所述第一分槽及第二分槽的电极口分别设置于第一分槽、第二分槽的顶面处；所述第一分槽的电极口的中心至第一分槽的侧壁的圆弧中心的连线，与第一分槽的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度；所述第二分槽的电极口的中心至第二分槽的侧壁的圆弧中心的连线，与第二分槽的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度。

作为本发明的一种优选结构，所述第一分槽及第二分槽的侧壁还均开设有辅助口，且辅助口均设置有辅助管；所述辅助管向上倾斜设置。

作为本发明的一种优选结构，所述辅助管的长度为1cm、直径为0.5mm-1mm。

作为本发明的一种优选结构，还包括两个辅助密封塞；两个辅助密封塞分别于未使用辅助管时，塞于辅助管处。

作为本发明的一种优选结构，所述第一连接管内设置有离子交换膜。

作为本发明的一种优选结构，所述第一连接管包括第一分管及第二分管；所述第一分管的一端连通至第一分槽处，所述第二分管的一端连通至第二分槽处；第一分管和第二分管可拆卸连接；所述离子交换膜设置于第一分管或第二分管内。

作为本发明的一种优选结构，还包括三个电极口密封塞，所述电极口密封塞开设有供电极穿过的开口；三个电极口密封塞分别塞于第一分槽、第二分槽及第三分槽的电极口处。

区别于现有技术，上述技术方案所述的一种聚光三电极电解装置，包括第一分槽、第二分槽及第三分槽；所述第一分槽及第二分槽的侧壁均为向外凸出的凸面，且材质为石英玻璃；第一分槽、第二分槽及第三分槽均开设有电极口，用于放置电极；第一分槽和第二分槽之间设置有第一连通管，且第一连通管将第一分槽和第二分槽连通；第二分槽和第三分槽之间设置有第二连通管，且第二连通管将第二分槽和第三分槽连通。在需要进行光电催化分解水时，第一分槽、第二分槽、第三分槽分别放置对电极、工作电极、参比电极，且分别加入相应的电解液，并提供照射对电极和工作电极的光源，光电催化过程中，由于第一分槽、第二分槽的材质为石英玻璃，因而透光性更好，还可以保证电极材料的光照面积相同，减少外界条件引起的光损失；另外，第一分槽、第二分槽的侧壁均为向外凸出的凸面，因而，光源照射至第一分槽、第二分槽的平行光均会在凸面的作用下汇聚，从而可以提高光能利用率及水解性能。

附图说明

图1为本发明一实施例涉及的聚光三电极电解装置的结构图；

图2为本发明一实施例涉及的聚光三电极电解装置的侧视图；

图3为本发明一实施例涉及的聚光三电极电解装置的俯视图。

附图标记说明：

1、第一分槽；

10、电极口；

11、电极口密封塞；

110、开口；

12、辅助管；

13、辅助密封塞；

2、第二分槽；

3、第三分槽；

4、第一分管；

5、第二分管；

6、第二连通管；

7、离子交换膜。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明提供了一种聚光三电极电解装置，用于为进行光电催化分解水提供电解池设备，尤其是可以提高照射对电极和工作电极的平行光的聚光率，以实现提高电解水性能及光能利用率的目的，这样还能够有助于实验室利用半导体材料对光电解水的研究。

在具体的实施例中，所述聚光三电极电解装置包括第一分槽1、第二分槽2及第三分槽3。所述第一分槽1、第二分槽2、第三分槽3均用于放置半导体材料及其电解液，以及使得参比电极(RE)、工作电极(WE)、对电极(CE)分别处于相对独立的体系中，为半导体材料进行光电解提供反应空间。具体地，所述第一分槽1、第二分槽2、第三分槽3分别用于放置对电极(CE)、工作电极(WE)、参比电极(RE)，若实验中使用两种光电极材料，分别将光阴极和光阳极放置第一分槽1、第二分槽2中；若只使用光阳极半导体材料，将其置于第二分槽2中。

由于对电极和工作电极需要进行光照，因而，放置对电极和工作电极的第一分槽1、第二分槽2均需要能够供光线穿过，在具体的实施例中，所述第一分槽1、第二分槽2的材质均为石英玻璃，相对于用普通玻璃制成的分槽，这样的设置使得第一分槽1、第二分槽2的透光能力好，减少外界条件引起的光损失，在进行光电催化时，能够保证光电极材料的光照面积相同，减小实验误差；另外，还具有耐高温、耐腐蚀、电绝缘性能好等优点。

所述第一分槽1及第二分槽2的侧壁均为向外凸出的凸面，在第一分槽1、第二分槽2分别放置两种光阴极和光阴极材料，且光源照射至第一分槽1、第二分槽2处时，在凸面的作用下，光源所照射出来的平行光会被汇聚并分别投射进第一分槽1、第二分槽2内，因而，这样可以实现聚光的效果，且聚光性能良好，提高了第一分槽1、第二分槽2内对电极、工作电极及电解液的光吸收，从而提高了光电解水性能以及光能利用率的问题，即提高了光能转换效率，具有重要的实际应用价值。

所述第一分槽1和第二分槽2的侧壁的凸面为光滑面，在某一实施例中，所述第一分槽1可以为橄榄形，也可以为水滴形；同样地，所述第二分槽2可以为橄榄形，也可以为水滴形。优选将第一分槽1和第二分槽2设置成大小和形状一致，当第一分槽1和第二分槽2设置成大小一致的橄榄形时，具体地，第一分槽1和第二分槽2的具体形状为橄榄形上下截取相同部分的形状，即中间肥，顶部和底部窄，弯曲角度适中，如所述第一分槽1和第二分槽2的侧壁弯曲角度为10度-60度，这样更有利于平行光的聚集，也可以使第一分槽1、第二分槽2均能够独立稳定地放置在实验台上。

第一分槽1、第二分槽2及第三分槽3均开设有电极口10，用于放置电极，电解液也可从电极口10处倒入，优选将第一分槽1的电极口10设置于第一分槽1的顶面，第二分槽2的电极口10设置于第二分槽2的顶面，第三分槽3的电极口10设置于第三分槽3的顶面，将对电极、工作电极、参比电极分别放入第一分槽1、第二分槽2、第三分槽3的电极口10处时，对电极、工作电极、参比电极均能竖向放置。

在所述第一分槽1及第二分槽2的电极口10分别设置于第一分槽1、第二分槽2的顶面处，且第一分槽1、第二分槽2均设置成橄榄形或水滴形时，在进一步的实施例中，所述第一分槽1的电极口10的中心至第一分槽1的侧壁的圆弧中心的连线，与第一分槽1的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度；所述第二分槽2的电极口10的中心至第二分槽2的侧壁的圆弧中心的连线，与第二分槽2的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度。

在某一实施例中，所述第一分槽1、第二分槽2、第三分槽3的高度一致，即如图2所示的h1、h2、h3相同，高度值可以为7cm-12cm。由于第一分槽1和第二分槽2主要用于放置对电极、工作电极，常用的对电极为铂电极，其直径约8.7mm；工作电极需要用铂电极固定，又因为铂电极夹的聚四氟乙烯杆子直径约为6mm，所以第一分槽1和第二分槽2的电极口10的直径，如图3所示的d1、d2，为6mm-12mm。第三分槽3用于放置参比电极，碱性体系中常用的参比电极有Hg/HgO、Ag/AgCl，因此第三分槽3的直径，如图3所示的d3，为9.0mm-12.0mm。

在进一步的实施例中，还包括三个电极口密封塞11，其材质可以为橡胶。在将三个电极分别插入第一分槽1、第二分槽2、第三分槽3的液面中后，可以直接通过电极口密封塞11密封，也可以是所述电极口密封塞11开设有供电极穿过的开口110；三个电极口密封塞11分别塞于第一分槽1、第二分槽2及第三分槽3的电极口10处，三个电极分别由三个电极口密封塞11的开口110处插入液面中，电极口密封塞11具有弹性，电极插入后，电极口密封塞11的开口110被撑开，且反作用环绕着夹紧电极，起到密封的作用，还可以夹持电极，使电极平稳地插于液面处。

因为参比电极不用光照，因而，放置参比电极的第三分槽3可以仅设置成圆柱形即可。

在进一步的实施例中，述第一分槽1及第二分槽2的侧壁还均开设有辅助口，且辅助口均设置有辅助管12；所述辅助管12向上倾斜设置。通过所述辅助管12辅助配合用户进行光电解水过程，例如，若需要大量电解液，可以分别从第一分槽1、第二分槽2及第三分槽3的电极口10处倒入，若需要少量的电解液，可以从第一分槽1、第二分槽2侧面的辅助口处用滴管滴入。再例如，在碱溶液中进行光电解水时，对电极和工作电极上都会产生气体，若产生的氧气吸附在光阳极表面，会阻止电解液与半导体材料继续接触进行表面反应，不利于光电解，此时可以通过辅助口，用注射器或者气球把产生的气体收集起来，可以反应体系的气体含量，若是其它产生有害气体的体系，可以防止污染大气。再例如，若将其直接与气相色谱连接，根据两个电极产生的气体含量，可以来计算化学反应速率，从而进行动力学研究。

在优选的实施例中，所述辅助管12的长度，如图2所示的L1，为1cm，由于辅助口主要起辅助作用，它的直径不能太大，因此其直径，如图3所示的d4、d5，为0.5mm-1mm。

在某一实施例中，还包括两个辅助密封塞13；两个辅助密封塞13分别于未使用辅助管12时，塞于辅助管12处。滴液或收集气体时，取出辅助密封塞13；定量分析时取出辅助密封塞13，并直接与气相色谱连接。

第一分槽1和第二分槽2之间设置有第一连通管，且第一连通管将第一分槽1和第二分槽2连通，即连通了阴极和阳极；第二分槽2和第三分槽3之间设置有第二连通管6，且第二连通管6将第二分槽2和第三分槽3连通。具体地，所述第一连通管和第二连通管6的大小和形状相同设置，且二者相互垂直设置，即第一连通管和第二连通管6的夹角，如图3所述的β，为90度，这样可以保持工作电极与参比电极、对电极之间的距离相等；第一分槽1和第二分槽2在同一个平面，第二分槽2和第三分槽3在同一个平面，减少了整个装置的占用空间；以及使液体在整个装置中具有良好的流通性。

在优选的实施例中，所述第一连接管内设置有离子交换膜7。通过离子交换膜7的选择透过性，阴离子和阳离子定向迁移到特定的电极上参加反应，提高反应效率；其次反应产生的气体不能通过，避免了阴极和阳极产生的气体流入相互的体系中，降低反应速率的情况。

在进一步的实施例中，所述第一连接管包括第一分管4及第二分管5；所述第一分管4的一端连通至第一分槽1处，所述第二分管5的一端连通至第二分槽2处；第一分管4和第二分管5可拆卸连接；所述离子交换膜7设置于第一分管4或第二分管5内。由于可以拆卸，因而，清洗和更换离子交换膜7就非常方便。

所述第一分管4和第二分管5可以通关套接的方式可拆卸连接，如第一分管4可套紧于第二分管5内，或第二分管5可套紧于第一分管4内，套紧的方式可以是螺纹连接，可以是过盈卡合，或是通过夹子夹紧，亦或是通过绝缘密封胶加固，在优选的实施例中，可以第一分管4和第二分管5的端面对齐，二者外套设有密封圈，能够连接第一分管4和第二分管5，又能保证二者贴合处的密封性，又能够便于拆卸，即将密封圈完全移至第一分管4处或第二分管5处。

所述第一连接管和第二连接管的长度，如图3所示的L2，均为3cm-5cm,第一连接管和第二连接管的直径均为0.5mm-1mm；所述离子交换膜7需要包裹至第一连接管的第一分管4或第二分管5的端口处，因为其直径为8mm-20mm。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种聚光三电极电解装置，其特征在于，包括第一分槽、第二分槽及第三分槽；

2.根据权利要求1所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一分槽橄榄形或水滴形；所述第二分槽为橄榄形或水滴形。

3.根据权利要求2所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一分槽和第二分槽的侧壁弯曲角度为10度-60度。

4.根据权利要求2所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一分槽及第二分槽的电极口分别设置于第一分槽、第二分槽的顶面处；所述第一分槽的电极口的中心至第一分槽的侧壁的圆弧中心的连线，与第一分槽的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度；所述第二分槽的电极口的中心至第二分槽的侧壁的圆弧中心的连线，与第二分槽的侧壁的圆弧中线的夹角为10度-90度。

5.根据权利要求1所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一分槽及第二分槽的侧壁还均开设有辅助口，且辅助口均设置有辅助管；所述辅助管向上倾斜设置。

6.根据权利要求5所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述辅助管的长度为1cm、直径为0.5mm-1mm。

7.根据权利要求5所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，还包括两个辅助密封塞；两个辅助密封塞分别于未使用辅助管时，塞于辅助管处。

8.根据权利要求1所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一连接管内设置有离子交换膜。

9.根据权利要求8所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，所述第一连接管包括第一分管及第二分管；所述第一分管的一端连通至第一分槽处，所述第二分管的一端连通至第二分槽处；第一分管和第二分管可拆卸连接；所述离子交换膜设置于第一分管或第二分管内。

10.根据权利要求1所述的聚光三电极电解装置，其特征在于，还包括三个电极口密封塞，所述电极口密封塞开设有供电极穿过的开口；三个电极口密封塞分别塞于第一分槽、第二分槽及第三分槽的电极口处。