CN114778469B - 一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 - Google Patents
一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114778469B CN114778469B CN202210445800.9A CN202210445800A CN114778469B CN 114778469 B CN114778469 B CN 114778469B CN 202210445800 A CN202210445800 A CN 202210445800A CN 114778469 B CN114778469 B CN 114778469B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical
- sample
- light
- oxygen
- lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 143
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 140
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 122
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 122
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 29
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 17
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 5
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 22
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 47
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 239000011533 mixed conductor Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 229910002406 SrFeO2.5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002361 SrTi0.65Fe0.35O3-δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，包括混气装置、光信号传输系统、尾气分析装置、光信号采集及数据分析系统、实验平台装置；光信号传输系统包括光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二、光探测器二、锁相放大器、样品；实验平台装置由石英管、横式管式炉和热电偶，样品固定装置、光学装置抗振支撑台和管式炉透明窗口组成，通过极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位/空穴/电子浓度的变化，固体薄膜材料在不同氧分压状态下薄膜材料的光吸收系数呈线性变化，通过测试装置收集信号数据，从而准确和快速的得到薄膜材料的氧表面交换系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学测试装置，应用于燃料电池材料化学性能分析测试技术领域，具体是一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法。
背景技术
氧表面交换速率是限制氧还原/氧析出反应快慢的关键因素，也是制约固体氧化物燃料电池/电解池性能的关键之一。氧表面交换系数的类型主要有三种，包括同位素追踪交换系数(k*)，电测定的表面交换系数(kq)和化学表面交换系数(kchem)，由于内部反应机理不同，不能直接进行对比，但可以通过热动力学因子进行换算。
测量氧表面交换系数的方法有多种，主要有同位素交换深度曲线法(IEDP)，用18O同位素在样品中的扩散曲线来拟合氧表面交换系数k*，电化学阻抗谱法通过测量样品在该气氛下的面比电阻，根据材料内的体积氧浓度、温度、玻尔兹曼常数、电子电荷等参数可以计算出kq，电导弛豫法是在极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位浓度变化，造成样品表面与体内存在化学势差，这一化学势差将引起氧空位的迁移和改变样品的电导率，通过拟合从迁移开始到平衡态曲线可测量kchem，但电化学阻抗谱法和电导弛豫法都需要在样品表面涂敷金属收电层，而金属收电层在一定程度上会增加表面催化活性，促进其氧表面交换动力学，导致不能测得氧电极最原始表面的本征氧表面交换速率，存在一定的偏差。而IEDP法一个样品只能测一个条件的k*，不能进行连续测试。
因此开发一种非接触式地，样品表面不需要涂敷金属Ag或者Pt收电层的，可连续测量样品本征的氧表面交换速率的装置，对研究材料性能以及设计更高效的电极材料具有重要的指导意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，可以以非接触的方式，快速准确且连续的对样品进行样品本征的氧表面交换速率检测。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，包括混气装置、光信号传输系统、尾气分析装置、光信号采集及数据分析系统；光信号传输系统由光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二、光探测器二、锁相放大器、样品、实验平台装置由石英管、横式管式炉、热电偶、样品固定装置、光学装置抗振支撑台和管式炉透明窗口，所述的光学装置抗振支撑台周边布置混气装置、尾气分析装置和光信号采集及数据分析系统，光信号传输系统垂直于实验平台装置且固定安装在光学装置抗振支撑台上部表面；
通过采集样品的光吸收率和透射率随氧分压的变化，然后根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，薄膜单色光强度衰减与光吸收系数(α)呈指数关系，具体表达式为：
式中，I为光强度，Ii为入射光强度，L为薄膜厚度。由于薄膜为氧表面交换动力学控制，根据菲克第二扩散定律，当氧分压发生改变时，透射光强度变化与光吸收系数的变化可用表达为如下方程：
式中，A0，At，Af分别为光吸收物种在初始时间、t时刻和终点时刻的光吸收度。τ为时间常数。而透射光强度与光吸收度呈指数关系，归一化处理后上述表达式亦可表示为：
式中，I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度，根据光吸收弛豫曲线，可拟合出时间常数τ。通过确定薄膜的厚度，便可计算出薄膜材料的氧表面交换系数。
光信号传输系统包括光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二、光探测器二和锁相放大器，光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、透镜二和光探测器二处于同一轴线且光信号传输路径一致，透镜一和透镜二之间通过支架安装分光镜，分光镜与透镜一形成一定夹角的同时正对光探测器一，光探测器一和光探测器二分别通过电线连接锁相放大器，锁相放大器通过电线连接光信号采集及数据分析系统；锁相放大器可隔绝来自非样品本身作用的透射光的变化，获得部分或全部淹没在宽带噪声中的正弦信号的幅度和相位；
实验平台装置固定安装在分光镜和透镜二之间的光学装置抗振支撑台表面，实验平台装置包括石英管、横式管式炉、热电偶、样品固定装置和管式炉透明窗口，横式管式炉侧边开设贯穿通孔，贯穿通孔的两边分别安装管式炉透明窗口，两个管式炉透明窗口与光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、透镜二和光探测器二处于同一轴线，两个管式炉透明窗口组成的轴线与石英管垂直交叉，横式管式炉两端的中轴线固定安装石英管，石英管中段内部设有通过样品固定装置夹持的样品，样品固定装置顶部固定安装有用于测量样品温度的热电偶，尾气分析装置的管路延伸至石英管内侧的样品附近，混气装置通过A和B两个通道连接石英管，样品与光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二和光探测器二处于同一轴线；使得光信号传输系统传输的特定范围波长的光垂直射入样品正中心，确保光信号输入输出强度的精确采集；所述的滤波片将自然光过滤为特定波长的单色光，波长范围不同，波的颜色不同。
光学装置测量氧表面交换系数的原理是利用固体薄膜材料在不同氧分压状态下薄膜材料的光吸收系数呈线性变化，导致薄膜颜色发生变化，而该颜色变化源于该物质内部的氧空位/空穴/电子浓度的变化。根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，建立相对透射强度变化与光吸收系数变化的联系，最终拟合计算出时间常数；
所述光信号传输系统可测量薄膜材料从0-650℃范围内的氧表面交换速率。横置管式炉内温度控制精度为±5℃；
本装置测试时尽量保存室内无风，温度适宜，光线昏暗，以减少对光信号强度的干扰。
所述的所述混气装置通过A和B两个通道提供不同的氧分压测试气体，且提供的测试气氛的氧分压范围为0.01％～100％，A通道和B通道气氛切换时间为4秒。
光信号传输系统中各光学零部件之间距离一定，角度适宜，高度一致，且光中心点集中对焦，薄膜样品与管式炉的两个透明窗口平行，且入射光需正对薄膜样品正中心，经过薄膜样品后的透射光将直接射入透镜二，确保光信号输入输出的稳定及准确性。混气装置可提供不同的氧分压测试气体，分A和B两个通道，可根据需要随时将一种氧分压测试气氛切换到另外一种氧分压测试气氛。尾气分析装置可测出气氛切换时气体吹扫所需要的时间和验证石英管中氧分压的精确度。光探测器一和光探测器二所测得的信号将会由光信号采集及数据分析系统采集并拟合计算，得出时间常数，再根据样品的厚度，可计算出样品的化学氧表面交换系数。
为了精确获取光信号电流强度，所述的所述光学斩波系统调频的光的固有频率为200赫兹。
所述的石英管透明。
所述的石英管内部干净无其它杂质。
使用方法包括以下步骤：
步骤一：采用脉冲激光沉积方法在透明晶体基片上生长纳米薄膜样品，该薄膜的厚度大约在100nm左右；
步骤二：打开光源，制备好的薄膜样品固定，放置于横式管式炉中，使得光信号传输系统的光和炉子的两个管式炉透明窗口与薄膜样品呈同一水平，且光垂直射入样品正中心；
步骤三：采用光透射弛豫法测量0-650℃范围内的光弛豫时间常数；
步骤四：通过横式管式炉进行升温，借由热电偶监控样品的温度，同时调节混气装置的氧分压，调节至21％O2气氛下，打开混气装置A通道，使得测试炉氧分压气氛保持恒定；
步骤五：待测试点温度稳定后，调节B通道的氧分压，瞬间切换管式炉内氧分压，氧分压在0.01％-100％O2范围内调节，分别记录光探测器一输出的信号强度P1和光探测器二输出的信号强度P2的光信号电流强度；
步骤六：将光透射信号变化曲线归一化处理后，采用如下公式拟合即可得到时间常数τ，然后计算出样品的氧表面交换系数kchem，
式中，L是薄膜样品的厚度，I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度。
所述的步骤一中使用的透明晶体基片包括YSZ、Al2O3等。
所述的步骤三中根据测试样品本身的氧表面交换动力学性质，所测试的温度可在0-600℃选择。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1)本发明装置无需对样品表面涂敷金属收电层，实现非接触地测定薄膜材料本征的氧表面交换系数；
2)使用本发明装置可以连续的测量不同条件下变化的氧表面交换系数，包括氧还原和氧析出过程的氧表面交换速率；
3)使用本发明装置使用方法，操作简单方便，数据准确，更能反映材料本身的性质。
附图说明
图1是本发明优选实施例测定氧表面交换系数的光学装置结构示意图；
图2是混合导体薄膜材料的相对光透射强度随氧分压变化的曲线；
图3是混合导体薄膜材料在600℃时从21％O2到4％O2的归一化光透射弛豫图及时间常数拟合曲线
图4是本发明优选实施例1中25℃和700℃制备的STF35在300℃-500℃的氧表面交换速率图；
图5是本发明优选实施例2中800℃制备的STC35在300℃-600℃的氧表面交换速率图。
图中：1、混气装置，2、光信号传输系统，3、尾气分析装置，4、光信号采集及数据分析系统，5、光源，6、滤光片，7、光学斩波系统，8、光线准直器，9、透镜一，10、分光镜，11、光探测器一，12、透镜二，13、光探测器二，14、锁相放大器，15、样品，16、石英管，17、横式管式炉，18、热电偶，19、样品固定装置，20、光学装置抗振支撑台，21、管式炉透明窗口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，包括光学装置抗振支撑台20，所述的光学装置抗振支撑台20周边布置混气装置1、尾气分析装置3和光信号采集及数据分析系统4，光信号传输系统2垂直于实验平台装置且固定安装在光学装置抗振支撑台20上部表面；
通过采集样品的光吸收率和透射率随氧分压的变化，然后根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，薄膜单色光强度衰减与光吸收系数(α)呈指数关系，具体表达式为：
式中，I为光强度，Ii为入射光强度，L为薄膜厚度。由于薄膜为氧表面交换动力学控制，根据菲克第二扩散定律，当氧分压发生改变时，透射光强度变化与光吸收系数的变化可用表达为如下方程：
式中，A0，At，Af分别为光吸收物种在初始时间、t时刻和终点时刻的光吸收度。τ为时间常数。而透射光强度与光吸收度呈指数关系，归一化处理后上述表达式亦可表示为：
式中，I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度，根据光吸收弛豫曲线，可拟合出时间常数τ。通过确定薄膜的厚度，便可计算出薄膜材料的氧表面交换系数。
如图1所示，光信号传输系统2包括光源5、滤光片6、光学斩波系统7、光线准直器8、透镜一9、分光镜10、光探测器一11、透镜二12、光探测器二13和锁相放大器14，光源5、滤光片6、光学斩波系统7、光线准直器8、透镜一9、透镜二12和光探测器二13处于同一轴线且光信号传输路径一致，透镜一9和透镜二12之间通过支架安装分光镜10，分光镜10与透镜一9形成一定夹角的同时正对光探测器一11，光探测器一11和光探测器二13分别通过电线连接锁相放大器14，锁相放大器14通过电线连接光信号采集及数据分析系统4；锁相放大器14可隔绝来自非样品本身作用的透射光的变化，获得部分或全部淹没在宽带噪声中的正弦信号的幅度和相位；
如图1所示，实验平台装置固定安装在分光镜10和透镜二12之间的光学装置抗振支撑台20表面，实验平台装置包括石英管16、横式管式炉17、热电偶18、样品固定装置19和管式炉透明窗口21，横式管式炉17侧边开设贯穿通孔，贯穿通孔的两边分别安装管式炉透明窗口21，两个管式炉透明窗口21与光源5、滤光片6、光学斩波系统7、光线准直器8、透镜一9、透镜二12和光探测器二13处于同一轴线，两个管式炉透明窗口21组成的轴线与石英管16垂直交叉，横式管式炉17两端的中轴线固定安装石英管16，石英管16中段内部设有通过样品固定装置19夹持的样品15，样品固定装置19顶部固定安装有用于监控样品15温度的热电偶18，尾气分析装置3的管路延伸至石英管16内侧的样品15附近，混气装置1通过A和B两个通道连接石英管16，样品15与光源5、滤光片6、光学斩波系统7、光线准直器8、透镜一9、分光镜10、光探测器一11、透镜二12和光探测器二13处于同一轴线；使得光信号传输系统2传输的特定范围波长的光垂直射入样品正中心，确保光信号输入输出强度的精确采集；所述的滤波片6将自然光过滤为特定波长的单色光，波长范围不同，波的颜色不同。
光学装置测量氧表面交换系数的原理是利用固体薄膜材料在不同氧分压状态下薄膜材料的光吸收系数呈线性变化，导致薄膜颜色发生变化，而该颜色变化源于该物质内部的氧空位/空穴/电子浓度的变化。根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，建立相对透射强度变化与光吸收系数变化的联系，最终拟合计算出时间常数；
所述光信号传输系统可测量薄膜材料从0-650℃范围内的氧表面交换速率。横置管式炉17内温度控制精度为±5℃；
本装置测试时尽量保存室内无风，温度适宜，光线昏暗，以减少对光信号强度的干扰。
所述的所述混气装置1通过A和B两个通道提供不同的氧分压测试气体，且提供的测试气氛的氧分压范围为0.01％～100％，A通道和B通道气氛切换时间为4秒。
光信号传输系统中各光学零部件之间距离一定，角度适宜，高度一致，且光中心点集中对焦，薄膜样品与管式炉的两个透明窗口21平行，且入射光需正对薄膜样品正中心，经过薄膜样品后的透射光将直接射入透镜二12，确保光信号输入输出的稳定及准确性。混气装置可提供不同的氧分压测试气体，分A和B两个通道，可根据需要随时将一种氧分压测试气氛切换到另外一种氧分压测试气氛。尾气分析装置可测出气氛切换时气体吹扫所需要的时间和验证石英管中氧分压的精确度。光探测器一11和光探测器二14所测得的信号将会由光信号采集及数据分析系统4采集并拟合计算，得出时间常数，再根据样品的厚度，可计算出样品的化学氧表面交换系数。
为了精确获取光信号电流强度，所述的所述光学斩波系统7调频的光的固有频率为200赫兹。
所述的石英管16透明。
所述的石英管16内部干净无其它杂质。
使用方法包括以下步骤：
步骤一：采用脉冲激光沉积方法在透明晶体基片上生长纳米薄膜样品15，该薄膜的厚度大约在100nm左右；
步骤二：打开光源5，制备好的薄膜样品15固定，放置于横式管式炉17中，使得光信号传输系统的光和炉子的两个管式炉透明窗口21与薄膜样品15呈同一水平，且光垂直射入样品正中心；
步骤三：采用光透射弛豫法测量0-650℃范围内的光弛豫时间常数；
步骤四：通过横式管式炉17进行升温，借由热电偶18监控样品15的温度，同时调节混气装置1的氧分压，调节至21％O2气氛下，打开混气装置A通道，使得测试炉氧分压气氛保持恒定；
步骤五：待测试点温度稳定后，调节B通道的氧分压，瞬间切换管式炉内氧分压，氧分压在0.01％-100％O2范围内调节，分别记录光探测器一11输出的信号强度P1和光探测器二13输出的信号强度P2的光信号电流强度；
步骤六：将光透射信号变化曲线归一化处理后，采用如下公式拟合即可得到时间常数τ，然后计算出样品的氧表面交换系数kchem，
式中，L是薄膜样品的厚度，I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度。
所述的步骤一中使用的透明晶体基片包括YSZ、Al2O3等。
所述的步骤三中根据测试样品本身的氧表面交换动力学性质，所测试的温度可在0-600℃选择。
本发明在使用时，具体工作如下：
该光学装置测量氧表面交换系数的原理是利用固体薄膜材料在不同氧分压状态下薄膜材料的光吸收系数呈线性变化，导致薄膜颜色发生变化，而该颜色变化源于该物质内部的氧空位/空穴/电子浓度的变化。根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，建立相对透射强度变化与光吸收系数变化的联系，最终拟合计算出时间常数。
以SrTi0.65Fe0.35O3-δ(STF35)薄膜材料为例，在氧化条件下，Fe在STF35的价态是在Fe4+和Fe3+之间，它的氧还原/氧析出反应可表示为如下方程：
该模型为非稀释Fe的SrTiO3-SrFeO2.5固溶体，当氧分压发生改变时，Fe的价态在Fe4+氧化态(棕色)和Fe3+还原态(透明色)之间发生变化。Fe4+在2.8eV(443nm)附近的光吸收率最强，其光吸收率正比于离子的浓度，而氧化的Fe4+离子浓度与氧浓度的改变有关。
参见图2，混合气体分别为高纯氮气和氧气。A通道为21％O2/79％N2，B通道为4％O2/96％N2。通过快速切换AB通道的测试气氛，使得STF35内部发生氧还原/氧析出反应，Fe4+和Fe3+的浓度发生变化，通过光信号采集及数据分析系统采集光吸收率的变化，并拟合从21％O2到4％O2或者4％O2到21％O2氧分压变化的相对透射强度弛豫曲线，分析计算出时间常数。根据已测定的薄膜长度，计算得出氧表面交换系数，从而得到材料的性能数据。
参见图3，左图为样品所得的21％O2到4％O2下的相对光透射强度弛豫信号，右图为归一化处理后拟合出时间常数τ，为拟合直线斜率的倒数。
实施例1，如图4所示：
(1)采用脉冲激光沉积方法在透明晶体基片上生长STF35纳米薄膜，该薄膜的厚度大约在70-100nm左右，薄膜生长温度分别为25℃和700℃。
(2)打开光源，制备好的薄膜样品固定，放置于测试炉内，使得光信号传输系统的光和炉子的两个透明窗口与薄膜样品呈同一水平，且光垂直射入样品正中心；
(3)采用光透射弛豫法测量300℃-500℃范围内的光弛豫时间常数；
(4)将测试炉升温，同时调节混气装置的氧分压，打开混气装置A通道，使得炉子保持氧分压气氛恒定。
(5)待测试点温度稳定后，调节B通道的氧分压，瞬间切换管式炉内氧分压，每个待测温度点氧分压调节按照21％O2→4％O2→21％O2进行，分别记录光探测器P1和P2的光信号电流强度。
(6)将光透射信号变化曲线归一化处理后，采用如下公式拟合得到时间常数τ，可计算出样品的氧表面交换系数kchem，L为薄膜样品的厚度。I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度
实施例2，如图5所示：
(1)采用脉冲激光沉积方法在透明晶体基片上生长纳米SrTi0.65Co0.35O3-δ(STC35)薄膜，该薄膜的厚度大约在100nm左右，薄膜生长温度为800℃；
(2)打开光源，制备好的薄膜样品固定，放置于测试炉内，使得光信号传输系统的光和炉子的两个透明窗口与薄膜样品呈同一水平，且光垂直射入样品正中心；
(3)采用光透射弛豫法测量350℃-600℃范围内的光弛豫时间常数；
(4)将测试炉升温，同时调节混气装置的氧分压，打开混气装置A通道，使得炉子保持氧分压气氛恒定。
(5)待测试点温度稳定后，调节B通道的氧分压，瞬间切换管式炉内氧分压，每个待测温度点氧分压调节按照21％O2→4％O2→21％O2进行。分别记录光探测器P1和P2的光信号电流强度。
(6)将光透射信号变化曲线归一化处理后，采用如下公式拟合得到时间常数τ，可计算出样品的氧表面交换系数kchem，L为薄膜样品的厚度。I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度。所测的氧表面交换系数随温度的变化曲线如图5。本装置由于受气氛切换时间为4s，如果时间常数小于4s，材料氧表面交换速率过快，则不能真实反应材料的氧表面交换速率。本装置更适用于中低温(≤600℃)的测试，但与材料本身氧表面交换反应快慢也有关系
Claims (8)
1.一种测定氧表面交换系数的光学装置，包括光学装置抗振支撑台(20)，其特征在于，所述的光学装置抗振支撑台(20)周边布置混气装置(1)、尾气分析装置(3)和光信号采集及数据分析系统(4)，光信号传输系统(2)垂直于实验平台装置且固定安装在光学装置抗振支撑台(20)上部表面；光信号传输系统(2)包括光源(5)、滤光片(6)、光学斩波系统(7)、光线准直器(8)、透镜一(9)、分光镜(10)、光探测器一(11)、透镜二(12)、光探测器二(13)和锁相放大器(14)，光源(5)、滤光片(6)、光学斩波系统(7)、光线准直器(8)、透镜一(9)、透镜二(12)和光探测器二(13)处于同一轴线且光信号传输路径一致，透镜一(9)和透镜二(12)之间通过支架安装分光镜(10)，分光镜(10)与透镜一(9)形成一定夹角的同时正对光探测器一(11)，光探测器一(11)和光探测器二(13)分别通过电线连接锁相放大器(14)，锁相放大器(14)通过电线连接光信号采集及数据分析系统(4)；实验平台装置固定安装在分光镜(10)和透镜二(12)之间的光学装置抗振支撑台(20)表面；实验平台装置包括石英管(16)、横式管式炉(17)、热电偶(18)、样品固定装置(19)和管式炉透明窗口(21)，横式管式炉(17)侧边开设贯穿通孔安装管式炉透明窗口(21)，两个管式炉透明窗口(21)与光源(5)、滤光片(6)、光学斩波系统(7)、光线准直器(8)、透镜一(9)、透镜二(12)和光探测器二(13)处于同一轴线，两个管式炉透明窗口(21)组成的轴线与石英管(16)的纵轴垂直交叉，横式管式炉(17)两端的中轴线固定安装石英管(16)，石英管(16)中段内部设有通过样品固定装置(19)夹持的样品(15)，样品固定装置(19)顶部固定安装有用于给样品(15)测温的热电偶(18)，尾气分析装置(3)的管路延伸至石英管(16)内侧的样品(15)附近，混气装置(1)通过A和B两个通道连接石英管(16)，样品(15)与光源(5)、滤光片(6)、光学斩波系统(7)、光线准直器(8)、透镜一(9)、分光镜(10)、光探测器一(11)、透镜二(12)和光探测器二(13)处于同一轴线。
2.根据权利要求1所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置，其特征在于，所述的混气装置(1)通过A和B两个通道提供不同的氧分压测试气体，且提供的测试气氛的氧分压范围为0.01％～100％，A通道和B通道气氛切换时间为4秒。
3.根据权利要求1所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置，其特征在于，所述的所述光学斩波系统(7)调频的光的固有频率为200赫兹。
4.根据权利要求1所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置，其特征在于，所述的石英管(16)透明。
5.根据权利要求1所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置，其特征在于，所述的石英管(16)内部干净无其它杂质。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用脉冲激光沉积方法在透明晶体基片上生长纳米薄膜样品(15)，该薄膜的厚度为100nm；
步骤二：打开光源(5)，制备好的薄膜样品(15)固定，放置于横式管式炉(17)中，使得光信号传输系统的光和炉子的两个管式炉透明窗口(21)与薄膜样品(15)呈同一水平，且光垂直射入样品正中心；
步骤三：采用光透射弛豫法测量0-650℃范围内的光弛豫时间常数；
步骤四：通过横式管式炉(17)进行升温，借由热电偶(18)监控样品(15)的温度，同时调节混气装置(1)的氧分压，调节至21％O2气氛下，打开混气装置A通道，使得测试炉氧分压气氛保持恒定；
步骤五：待测试点温度稳定后，调节B通道的氧分压，瞬间切换管式炉内氧分压，氧分压在0.01％-100％O2范围内调节，分别记录光探测器一(11)输出的信号强度P1和光探测器二(13)输出的信号强度P2的光信号电流强度；
步骤六：将光透射信号变化曲线归一化处理后，采用如下公式拟合即可得到时间常数τ，然后计算出样品的氧表面交换系数kchem，
式中，L是薄膜样品的厚度，I0是初始时刻的透射光强度，If是结束时刻的透射光强度，It是t时的透射光强度。
7.根据权利要求6所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置的使用方法，其特征在于，所述的步骤一中使用的透明晶体基片包括YSZ和Al2O3。
8.根据权利要求6所述的一种测定氧表面交换系数的光学装置的使用方法，其特征在于，所述的步骤三中根据测试样品本身的氧表面交换动力学性质，所测试的温度范围为0-600℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210445800.9A CN114778469B (zh) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | 一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210445800.9A CN114778469B (zh) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | 一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114778469A CN114778469A (zh) | 2022-07-22 |
| CN114778469B true CN114778469B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=82433079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210445800.9A Active CN114778469B (zh) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | 一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114778469B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103033488A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-04-10 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法 |
| CN104792664A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-22 | 上海大学 | 测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置 |
| CN104792663A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-22 | 上海大学 | 测定氧交换系数与氧扩散系数的等压密封式装置 |
| BR102014019127A2 (pt) * | 2014-08-01 | 2018-02-14 | Fundação Universidade Federal Do Abc - Ufabc | Equipamento de óptica para medidas fotométricas em filmes ultrafinos e finos e método de avaliação de filmes ultrafinos e finos |
| KR20180075010A (ko) * | 2016-12-26 | 2018-07-04 | 한국에너지기술연구원 | 멤브레인의 산소 투과도 측정장치 및 이를 이용한 멤브레인의 산소 투과도 측정방법 |
| CN109540621A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 水中氧同位素的提取系统及水中氧同位素分析的方法 |
| CN111413255A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-14 | 浙江大学 | 一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010043327A1 (en) * | 2000-04-07 | 2001-11-22 | Bryan Barney | Spectral identification system |
-
2022
- 2022-04-26 CN CN202210445800.9A patent/CN114778469B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103033488A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-04-10 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法 |
| BR102014019127A2 (pt) * | 2014-08-01 | 2018-02-14 | Fundação Universidade Federal Do Abc - Ufabc | Equipamento de óptica para medidas fotométricas em filmes ultrafinos e finos e método de avaliação de filmes ultrafinos e finos |
| CN104792664A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-22 | 上海大学 | 测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置 |
| CN104792663A (zh) * | 2015-04-07 | 2015-07-22 | 上海大学 | 测定氧交换系数与氧扩散系数的等压密封式装置 |
| KR20180075010A (ko) * | 2016-12-26 | 2018-07-04 | 한국에너지기술연구원 | 멤브레인의 산소 투과도 측정장치 및 이를 이용한 멤브레인의 산소 투과도 측정방법 |
| CN109540621A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-29 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 水中氧同位素的提取系统及水中氧同位素分析的方法 |
| CN111413255A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-14 | 浙江大学 | 一种测试质子交换膜氧气传质系数的微电极系统和方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 光学薄膜弱吸收测试装置参数优化;黄祖鑫等;红外与激光工程;20110925;第40卷(第09期);1779-1783 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114778469A (zh) | 2022-07-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10732093B2 (en) | Gas sensor | |
| Giancaterini et al. | Au and Pt nanoparticles effects on the optical and electrical gas sensing properties of sol–gel-based ZnO thin-film sensors | |
| WO2000070328A1 (en) | Surface plasmon resonance detection with high angular resolution and fast response time | |
| CN111693481A (zh) | 测定sf6气体中co含量非分散红外吸收光谱标定方法 | |
| Wang et al. | Comparison of different infrared measurement techniques in the clinical analysis of biofluids | |
| CN114778469B (zh) | 一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法 | |
| Lou et al. | Highly sensitive light-induced thermoelastic spectroscopy oxygen sensor with co-coupling photoelectric and thermoelastic effect of quartz tuning fork | |
| Nickolaisen et al. | Pulsed laser thermal lens spectrophotometry for flowing liquid detection | |
| Sazhin et al. | Sensor methods of ammonia inspection | |
| Fishman et al. | Open-ended photoacoustic spectroscopy cell for thin-layer chromatography and other applications | |
| Nickolaisen et al. | Pulsed infrared laser thermal lens spectrometry of flowing gas samples | |
| Sigrist et al. | Infrared-laser photoacoustic spectroscopy | |
| CN110567899B (zh) | 一种cod检测低温补偿方法 | |
| CN111982859B (zh) | 一种基于马赫-曾德尔结构的折射率传感器及其检测方法 | |
| Cresser | Determination of nitrogen in solution by gas-phase molecular absorption spectrometry | |
| Crawley | Application of non-dispersive infrared (NDIR) spectroscopy to the measurement of atmospheric trace gases | |
| Faguy et al. | Real-time polarization modulation in situ infrared spectroscopy applied to the study of atmospheric corrosion | |
| Aroutiounian et al. | Fluctuation-enhanced gas sensing | |
| Hursh et al. | Photoacoustic and spectrophotometric quantitation of copper phthalocyanine films | |
| CN117805195A (zh) | 一种表面交换系数测定方法、装置、设备及存储介质 | |
| Masujima et al. | Photothermal beam deflection study of titanium metal corrosion by a hot lubricant | |
| Hanamura et al. | Determination of trace levels of water in solid samples by evolved gas analysis/helium microwave plasma emission spectrometry | |
| CN115406839B (zh) | 变压器油中溶解气体在线监测装置 | |
| CN221405397U (zh) | 一种原位电化学红外光谱-拉曼光谱联用装置 | |
| Proskurnin et al. | OPTIMIZATION OF THE OPTICAL-SCHEME DESIGN FOR MICROCHIP-BASED PHOTOTHERMAL LENSING 1 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |