CN113176311B - 一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统 - Google Patents

一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，主要包括高聚光模拟灯、分频器件、反应池主体、电机、旋转叶片、工作电极、电化学工作站等零件，旨在为光催化、光电催化、电催化等研究领域的半导体催化剂在高聚光反应过程中的原位微观载流子反应动力学的研究提供一个测试平台。本发明在测试过程中，测试人员能够主观调控太阳能分频波段，利于研究聚光太阳能的分频梯级利用效果。同时，旋转叶片的增设能够为工作电极提供一个扰流环境，便于及时清理干扰性气泡，增强测试精度。本发明具有高效、集成度高、简单、易操控等优点。

Description

一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统。
背景技术
对于研究太阳能光催化、电催化、光电催化制取氢气等清洁能源，或者通过捕获大气中过度排放的二氧化碳，将其通过光催化、电催化、光电催化等手段转化为高值化学品的研究学者来说，研究探索清洁、高效、无污染、高活性的催化剂是提高整体转化效率的一种优选技术手段。现在，大多数研究人员合成出来的半导体催化剂只能通过定性的手段来比较其相对活性高低。以半导体光催化剂为例，现在学术界常用的手段是采用在同等光强氙灯的辐射作用下，对不同半导体催化进行光电化学测试。例如，通过定性比较光电流大小，莫特肖特基，电化学阻抗谱等测试值，便立马得出A物质的催化效果优于B物质的催化效果。虽然这种测试手段能给出直观的半导体在电子-空穴分离和复合上的相对大小，但是并不利于研究者更深入的理解其中详实的载流子传递过程以及分离复合机制，其科学指导价值非常有限。采用原位模拟光源，并在光电化学池中开展实时定量监测半导体催化剂在反应过程中的微观反应动力学特征是一种优于传统定性表征手段的方案之一。
现今无论是工厂产业链上，还是在科研院所、高校的小试研究实验中，太阳能到氢能的转化效率都非常低，很难满足美国能源局之前预测的转化效率到10％，即可满足商业化应用的设想。因此，寻求一种优异的、梯级有序的太阳能到氢能的能量流和物质流传递路线是破解这一途径的敲门砖。另外，太阳能虽然取之不尽用之不竭，但是其能流密度低以及客观不稳定性限制了其应用范围，采用合理的聚光装置能够有效地解决该问题。同时，参照太阳能固有波段特性，客观地设计一种高度与之契合的分频装置能够大大增加对太阳能的有序利用，避免在传输过程中的能势非匹配的能量损耗。
目前，纵观整个仪器仪表表征领域，几乎很少有与以上实验需求相匹配的测试装置系统，因此本发明提出了一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，有望帮助科研人员在半导体催化剂催化的实时微观载流子反应动力学提供一种精准的研究手段。本测试系统具有集成度高、结构简单精巧、易操作等优异特点，适合于大规模的工业化生产及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，利用此系统可以对高聚光分频条件下的光催化、光电催化或者电催化反应提供一个微观反应动力学的研究平台，有利于研究人员深度探索其内在载流子传递机制并提出有指导意义的建设性意见。
本发明采用如下技术方案来实现：
一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，包括高聚光模拟灯，设置在高聚光模拟灯头前的分频器件，设置在正对模拟光路的反应池主体，与反应池主体通过电极连接的电化学工作站，以及设置在高聚光模拟灯正下方的光源控制器；
其中，反应池主体为内空的长方体结构，包括设置在边侧的电机，设置在电机轴上的旋转叶片，与电机相连的电机控制器，设置在反应池主体正后方的挡板，挡板的宽度大于反应池主体正前方的挡板，并与之高度一样，反应池主体正前方的挡板，设置有光路正对着的高透玻璃，设置在挡板上，并与光路同圆心的通光孔；设置在通光孔后方的，并与之等高的夹板，夹板上设置有大小与通光孔相同的通孔；夹板与挡板通过紧固件装配在一起；夹在夹板与挡板中间，设置有涂覆测试材料的工作电极；反应池主体上设置有能够取下的盖板，盖板上依次设置有大圆孔、方形孔和小圆孔，大圆孔用于放置参比电极，小圆孔用于放置对比电极，方形孔用于平衡反应池主体的内外气压。
本发明进一步的改进在于，通光孔处设置有柔性垫圈。
本发明进一步的改进在于，高聚光模拟灯为反应池主体提供光源，其光强在1～20个太阳之间，强度能够通过光源控制器进行调节，同时，高聚光模拟灯与光催化反应或光电催化反应的模拟光源一致；分频器件放置在高聚光模拟灯灯头前方的扇形槽，通过分频器件对来自高聚光模拟灯进行分频。
本发明进一步的改进在于，反应池主体盛有预设浓度的硫酸钠、亚硫酸钠、氢氧化钠或者硫酸作为电解液，根据具体的测试材料的性质进行选择，电解液高度超过通光孔，测试的半导体催化剂材料通过旋涂、均匀滴定并过夜干燥的方式将其固定在FTO玻璃的导电面或者泡沫镍等基底上。
本发明进一步的改进在于，测试的过程中，由涂覆有半导体催化剂材料的工作电极和对比电极、参比电极共同构成三电极体系，并将其连接至电化学工作站构成闭合的回路，在原位的高聚光模拟灯的辐射作用下，电化学工作站通过电化学特征测试，来实时监测催化剂参与化学反应时的载流子分离复合状态。
本发明进一步的改进在于，在测试的过程中，如果催化剂的活性比较高，在工作电极表面会生成很多微小气泡，因此会影响工作电极上的催化剂的吸光效果，此时，通过电机控制器灵活地控制电机转速，从而带动旋转叶片增加对电解液的扰动效果，使得工作电极上的气泡能够及时脱落，使得测试数据更加可靠。
本发明进一步的改进在于，工作电极放置在夹板和挡板中间，通过两个对称的螺栓装配固定，工作电极的正中间与通光孔同心，通光孔的直径为1cm。
本发明进一步的改进在于，方形孔的设置能够保证测试池与外界大气压没有压差，在测试反应过程中生成的氢气和氧气能够及时排除，有助于提升工作电极和通光孔之间的密封性。
本发明进一步的改进在于，分频器件根据具体的实验测试需求进行选择，选用带通片，尺寸有300nm、350nm、400nm、450nm和500nm，或者选用能通过太阳光波长的滤波片，尺寸有300nm-420nm、420nm-700nm和700-1000nm。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明能够为光催化、光电催化以及电催化等催化反应在高聚光分频条件下的微观载流子动力学特性研究提供一种测试装置，具体包括像原位瞬态光电流、模特肖特基、电化学阻抗谱等特征参数的实时监测，有利于研究人员探索在不同工况(分频条件)下的载流子分离复合动态机制。
进一步，高聚光模拟光源的光强在1～20太阳之间，可以根据实验客观需求进行选择，分频器件也可以根据实验条件进行筛选，大致有带通片和滤光片两种。
进一步，处于电解液内部的旋转叶片的转动速率可以电机主轴对其进行合理调控，继而为流体内部提供一定大小的扰流，助推涂覆有催化剂的工作电极表面上的气泡的脱落，提高实验测试的精度。
进一步，工作电极主要由FTO玻璃或者泡沫镍等导电基质作为载体，待测试的半导体催化剂通过旋涂或者滴定过夜干燥方式固定在基底上。
进一步，测试的过程中，工作电极置于夹板和反应池后挡板之间，通过两个对称螺栓对其进行固定装配，便于固定和拆卸。并且在通光孔和夹板通孔上都有垫圈设置，能够增加工作电极与盛有电解液的反应池主体之间的密封性。
进一步，反应池主体上方的盖板上的方形孔能够及时排除反应池内部产生的多余的氢气和氧气，避免内部多高的气压影响通光孔与工作电极之间的密封特性。
进一步，测试的过程中，工作电极，参比电极，对比电极共同构成三电极体系连接至电化学工作站，能够在电化学工作站上对各种复杂工况下的光电化学特征进行实时监测。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为反应池内部剖面图。
附图标记说明：
1.电机控制器，2.反应池主体，3.夹板，4.螺栓，5.工作电极，6.挡板，7.方形孔，8.对比电极，9.参比电极，10，电化学工作站，11.高聚光模拟灯，12，光源控制器，13.分频器件，14.电机，15.高透玻璃，16.旋转叶片，17.通光孔。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和2所示，本发明提供一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，包括有电机控制器1，反应池主体2，夹板3，螺栓4，工作电极5，挡板6，方形孔7，对比电极8，参比电极9，电化学工作站10，高聚光模拟灯11，光源控制器12，分频器件13，电机14，高透玻璃15，旋转叶片16，通光孔17。整个测试过程首先是工作电极5的制备，主要是将一定量的半导体催化剂，如二氧化钛TiO2,类石墨烯氮化碳等，溶于一定量混溶的乙醇和水(体积比1：1)的混合液中，超声30min，然后用移液枪取200微升混合液旋涂或者采用滴定后过夜静置干燥的方法将其附着于FTO玻璃的导电面或者泡沫镍等基底上。然后将其放置在夹板3和挡板6的中间，导电面与测试电解液接触。利用对称螺栓4将两者固定起来。紧接着开启高聚光模拟光源11，通过光源控制器设定合适的光照强度，如5个太阳，10个太阳等。在高聚光模拟光源11的灯头前的扇形凹槽处放置与实验条件匹配的分频器件13，分频器件的频率可采用不同的滤光片或截止片进行调控，光路透过高透玻璃15并经过电解质溶液后到达通光孔17，这样，通光孔处的半导体催化剂就能接收到光源的辐射，从而激发内部载流子的分离。同时，由于在测试的过程中，氢气或者氧气的生成会在工作电极5的表面生成很多微小气泡。为了加速气泡的脱落，提高实验精度，可以开启电机14带动旋转叶片16进行旋转。电机14的转动速率根据实验要求可以通过电机控制器1进行控制，也就是说电解液中，工作电极附近的流场可以通过电机控制器进行合理调节。
工作电极5与FTO玻璃等基底连接后和对比电极8、参比电极9共同构成三电极体系并构成闭合电回路，工作电极5上半导体催化剂接受光照后的实时内部载流子分离扩散情况以及半导体的光电化学特征，如瞬态光电流、电化学阻抗谱等将传输并记录在电化学工作站10上。整个系统集成度高，操作方便、快捷。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，其特征在于，包括高聚光模拟灯（11），设置在高聚光模拟灯（11）头前的分频器件（13），设置在正对模拟光路的反应池主体（2），与反应池主体（2）通过电极连接的电化学工作站（10），以及设置在高聚光模拟灯（11）正下方的光源控制器（12）；
其中，反应池主体（2）为内空的结构，包括设置在边侧的电机（14），设置在电机轴上的旋转叶片（16），与电机（14）相连的电机控制器（1），设置在反应池主体（2）正后方的挡板（6），挡板（6）的宽度大于反应池主体（2）正前方的挡板，并与之高度一样，反应池主体（2）正前方的挡板，设置有光路正对着的高透玻璃（15），设置在挡板（6）上，并与光路同圆心的通光孔（17）；设置在通光孔（17）后方的，并与之等高的夹板（3），夹板（3）上设置有大小与通光孔（17）相同的通孔；夹板（3）与挡板（6）通过紧固件装配在一起；夹在夹板（3）与挡板（6）中间，设置有涂覆测试材料的工作电极（5）；反应池主体（2）上设置有能够取下的盖板，盖板上依次设置有大圆孔、方形孔和小圆孔，大圆孔用于放置参比电极（9），小圆孔用于放置对比电极（8），方形孔（7）用于平衡反应池主体（2）的内外气压；
高聚光模拟灯（11）为反应池主体（2）提供光源，其光强在1~20个太阳之间，强度能够通过光源控制器（12）进行调节，同时，高聚光模拟灯（11）与光催化反应或光电催化反应的模拟光源一致；分频器件（13）放置在高聚光模拟灯（11）灯头前方的扇形槽内，通过分频器件（13）对来自高聚光模拟灯（11）进行分频；
反应池主体（2）盛有预设浓度的硫酸钠、亚硫酸钠、氢氧化钠或者硫酸作为电解液，根据具体的测试材料的性质进行选择，电解液高度超过通光孔（17），测试的半导体催化剂材料通过旋涂、均匀滴定并过夜干燥的方式将其固定在FTO玻璃的导电面或者泡沫镍基底上；
工作电极（5）放置在夹板（3）和挡板（6）中间，通过两个对称的螺栓（4）装配固定，工作电极（5）的正中间与通光孔（17）同心，通光孔（17）的直径为1cm；
通过电机控制器（1）灵活地控制电机转速，从而带动旋转叶片（16）增加对电解液的扰动效果，使得工作电极（5）上的气泡能够及时脱落，使得测试数据更加可靠。
2.根据权利要求1所述的一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，其特征在于，反应池主体（2）为内空的长方体结构。
3.根据权利要求1所述的一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，其特征在于，通光孔（17）处设置有柔性垫圈。
4.根据权利要求1所述的一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，其特征在于，测试的过程中，由涂覆有半导体催化剂材料的工作电极（5）和对比电极（8）、参比电极（9）共同构成三电极体系，并将其连接至电化学工作站（10）构成闭合的回路，在原位的高聚光模拟灯（11）的辐射作用下，电化学工作站（10）通过电化学特征测试，来实时监测催化剂参与化学反应时的载流子分离复合状态。
5.根据权利要求1所述的一种高聚光分频式原位光电化学扰流反应池测试系统，其特征在于，分频器件（13）根据具体的实验测试需求进行选择，选用带通片，尺寸有300nm、350nm、400nm、450nm和500nm，或者选用能通过太阳光波长的滤波片，尺寸有300nm-420nm、420nm-700nm和700-1000nm。
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