CN211374604U - 电化学、质谱和红外光谱联用的控温多功能流动电解池 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于化学反应装置技术领域，具体为一种电化学、质谱和红外光谱技术联用的控温多功能流动电解池。其包括参比电极、辅助电极、疏水透气膜、玻璃杯体、两块圆形板、螺旋测微头、热电偶、陶瓷加热圈、聚四氟乙烯管等；参比电极、辅助电极和光学窗口上的催化剂与电化学工作站相连实现电化学测试和数据采集；质谱进样管与催化剂表面距离通过螺旋测微头精准调节，实现反应界面质谱信号的采集和检测；电解液温度通过池体外侧加热套和池体内侧热电偶精准控制；红外光通过池体外侧射入光学窗口，实现反应界面物种的分子水平检测。本实用新型可成为基于电化学反应的电解、电化学合成、生物电化学和电化学传感器等方面研究和应用的强有力工具。

Description

电化学、质谱和红外光谱联用的控温多功能流动电解池

技术领域

本实用新型属于化学反应装置技术领域，具体涉及多功能流动电解池。

背景技术

电催化机理研究强烈依赖于原位谱学技术、在线检测分析技术的整合。高灵敏度和特异性的原位表面增强红外光谱(ATR-SEIRAS)，可轻易毫秒级时间分辨检测吸附中间体化学结构的动态信息，是实用催化剂/溶液界面的电催化反应机理研究的重要工具。而电化学差分质谱（DEMS）是一种能够完成对挥发性物质同时进行定性和定量分析的强有力工具。由于上述各实验技术的特定局限，通常只能实现单一的谱学技术与电化学技术的联用。为了全面而正确地认识电催化机理，往往需要综合多种实验技术所获得的多方面的信息。同时，联用技术将克服由于实验条件的差异造成的从不同实验技术所获得结果的不可比性，该技术的使用能大幅缩短实验时间，实现对某些稳定性差重现性不好的实际电催化体系的明确分析。

根据文献中报道，在2004年由德国乌尔姆大学Behm团队提出“双薄液层”流动电解池设计，这是至今为止唯一实现电化学原位红外和电化学差分质谱联用的技术。但是“双薄液层”设计将电化学反应与质谱测试在不同腔室，通过中间小孔将电极表面产生物种传输至质谱检测，因此电化学信号与质谱采集信号之间延时增长。同时，电化学反应一侧薄层池与质谱测试一侧的薄层池的电解液会发生部分电解液串流，从而影响信号检测的准确度。而且这种“双薄液层”流动池复杂而冗长的孔道严重影响电极电流分布的均匀性，同时也大大增加制作成本。

为此，本发明采用全新设计思路设计一种简单可靠、温度可控、不受研究材料限制的多功能流动电解池，实现电分析技术、电化学技术与原位表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）技术和电化学差分质谱（DEMS）技术联用。而且，这种构造简单易操作的多功能流动电解池系统，可成为基于电化学反应的电解、电化学合成、生物电化学和电化学传感器等方面基础研究和应用开发的强有力工具，也可应用于水中痕量有机物的分析检测等环保方面，所以十分具有商业应用前景。

发明内容

本发实用新型计了一种可以实现电分析技术、原位表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）技术和电化学差分质谱（DEMS）技术联用的多功能流动电解池，设计的目标：（1）结构设计简单合理解可操作性强，实现毫秒级红外、质谱和电分析信号实时同步测量。（2）实现实验温度可调控，满足不同温度实验要求，模拟催化剂真实工作环境。（3）几乎可以满足所有电极材料测试分析要求，实现多角度破解催化机理，评估催化剂性能。

本发明设计的实现电化学与多种谱学技术联用的新型多功能流动电解池，包括：参比电极、辅助电极、硅圆片、鲁金毛细管、垫片、疏水透气膜、玻璃杯体、同样尺寸的A圆形板和B圆形板，玻璃套管、螺旋测微头、支架、夹具、连接件、热电偶、加热圈、聚四氟乙烯（PTFE）管、以及若干通孔螺栓、螺丝和O型密封圈；其中：

所述热电偶通过所述通孔螺栓和O型密封圈固定并密封于所述B圆形板的孔B1中；

所述硅圆片通过夹具和垫片固定并密封于B圆形板的中心孔B2中，中心孔B2呈锥形；

所述辅助电极通过所述通孔螺栓和所述O型密封圈固定并密封于所述A圆形板的孔A1中；

所述鲁金毛细管插入A圆形板的孔A2中；

所述参比电极穿过A圆形板的孔A2插入鲁金毛细管中，并通过所述通孔螺栓和所述O型圈固定密封；

所述支架通过所述螺丝固定于所述A圆形板；

所述螺旋测微头固定于所述支架，并使螺旋测微头轴心与A圆形板中心重合；

所述玻璃套管穿过A圆形板中心A3并通过所述连接件与螺旋测微头连接，将所述加热圈固定在所述玻璃杯体外围，将所述A圆形板和B圆形板通过所述玻璃杯体螺纹口连接并通过O型密封圈密封，形成封闭的电解池；

所述热电偶和加热套与温度控制器连接实现温度精准控制，所述玻璃套管上设有一支路，该支路与蠕动泵连接实现电极表面溶液流动更新，将所述PTFE管穿过玻璃套管的中心玻璃管，然后将所述PTFE管一端覆盖PTFE疏水透气膜靠近电极表面，用于进样，另一端与质谱相连使样品进入质谱检测系统。

其中，参比电极、辅助电极和光学窗口上的催化剂与电化学工作站相连实现电化学测试和数据采集；质谱进样管与催化剂表面距离通过螺旋测微头精准调节，实现反应界面质谱信号的采集和检测；电解液温度通过池体外侧加热套和池体内测热电偶精准控制；红外光通过池体外侧射入光学窗口，实现反应界面物种的分子水平检测。

其中，所述多功能流动池的质谱进样设计，首次采用“上入式”进样模式，便于挥发性产物进入真空系统。

其中，所述多功能流动电解池设计，将所述螺旋测微头与所述玻璃套管相连，设计简洁操作简单，可根据实验要求灵活调节所述质谱进样口与电极表面距离，特别是100 μm以下距离精准调控。

其中，所述玻璃套管设计，使电解液从中心玻璃管与外侧玻璃管之间流出通过玻璃套管的支路与蠕动泵连接，实现电极表面液体流动和浓度精准可控，改善质谱峰电流拖尾问题。

其中，所述B圆形板中心孔设计为锥形孔，可巧妙地利用“漏斗效应”，使电解液实现从下向上经过电极表面流入所述玻璃套管，自然形成固定的液体流动路径，避免溶液湍流影响质谱采样测试。

其中，所述热电偶设计与所述电极表面处同一液层，实现电极表面溶液温度的准确可控测量。

其中，所述加热套体外设计对池体内电解液环绕立体加热，一方面使电解液能够最大程度接受热源，避免电解液受热不均，另一方面采用体外加热方式避免加热设备污染电解液，与热电偶配合使用实现电解液温度的精准控制，能够满足200℃以下实验温度要求。

其中，所述多功能流动电解池设计的质谱进样管道采用PTFE软管，将所述PTFE疏水透气膜覆盖于进样管一端用于采集反应界面产物，进样管另一端与质谱检测系统相连实现产物检测。

其中，疏水透气膜优选聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜或聚偏氟乙烯（PVDF）微孔膜，膜孔隙率不小于50%，微孔径不大于0.2 μm，膜厚度不大于110 μm。

其中，所述A、B圆形板材料优选聚四氟乙烯。

其中，所述辅助电极优选碳棒。

本实用新型多功能流动电解池工作时，电化学工作站电极线分别于参比电极、辅助电极和工作电极相连，质谱系统通过PTFE质谱进样管实现工作电极表面样品收集，借助蠕动泵，电解液通过所述玻璃套管，结合锥形漏斗设计实现液体流速和流动方向精确调控。通过计算机软件同时控制质谱系统和电化学工作站，同步实现研究电极电化学分析和挥发性产物分析。

本实用新型的有益效果在于：

（1）结构设计简单合理，解可操作性强，实现毫秒级红外、质谱和电分析信号实时同步测量；

（2）实现实验温度可调控，满足不同温度实验要求，模拟催化剂真实工作环境；

（3）几乎可以满足所有电极材料测试分析要求，实现多角度破解催化机理，评估催化剂性能。

本实用新型可成为基于电化学反应的电解、电化学合成、生物电化学和电化学传感器等方面研究和应用的强有力工具，也可用于痕量有机物的分析检测等环保方面。

附图说明

图1为本实用新型多功能流动电解池结构示意图。

图2为本实用新型多功能流动电解池结构上方局部剖面图。

图3为本实用新型多功能流动电解池结构下方局部剖面图。

图中标号：1-螺旋测微头，2-支架，3-质谱进样管，4-连接件，5-玻璃套管，6-A圆形板，7-玻璃池体，8-加热套，9-热电偶，10-B圆形板，11-夹具，12-进液管，13-进气管，14-辅助电极，15-参比电极，16-“M4”通孔螺栓，17-“M4”型号螺栓，18-“M6”通孔螺栓，19-鲁金毛细管，20-垫片，21-光学窗口，22-“O”型密封圈。

具体实施方式

下面结合具体实例对本实用新型作进一步详细说明，给出的实例仅为了阐明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的范围。

实施例1

一种新型多功能流动电解池，包括螺旋测微头1，支架2，质谱进样管3，连接件4，玻璃套管5，用于调节进样口与催化剂表面间距离；A圆形板6，玻璃池体7，加热套8，热电偶9，B圆形板10，组成可以精准控温的电解池主体；进液管12，进气管13，辅助电极14，参比电极15，通过“M6”通孔螺栓18和“O”型密封圈22固定与A圆形板；光学窗口21，通过垫片20、夹具11固定在B圆形板中心位置，用“M4”型号螺栓固定密封。

将疏水透气膜覆盖在质谱进样管3滤芯一端，通过螺旋测微头1调节进样口与反应界面的距离，实现挥发性产物的收集检测。光学窗口21上覆盖的目标催化剂、辅助电极14，参比电极15与电化学工作站连接实现电化学测试和测试数据收集。玻璃套管侧路与蠕动泵连接实现催化剂表面溶液的精确流动更新，同时电解液通过进液管12补充新鲜电解液。进气管与实验指定目标气体相连，实现反应过程溶液中所需气氛的供应。电热套8和热电偶9与温度控制器相连，实现实验温度的精准调控。通过镜面反射实现红外光谱仪的红外光从光学窗口21射入，调节合适的入射角是红外光在反应界面处反射，借助镜面将反射红外光引入检测器，从而实现催化反应界面物种分子水平检测。

以上通过实施例对本实用新型进行了详细说明，单所述的内容仅为本实用新型的较佳施例，利用本实用新型所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本实用新型的保护范畴。

Claims (8)

1.一种电化学、质谱和红外光谱联用的控温多功能流动电解池，其特征在于，包括：参比电极、辅助电极、硅圆片、鲁金毛细管、垫片、疏水透气膜、玻璃杯体、同样尺寸的A圆形板和B圆形板，玻璃套管、螺旋测微头、支架、夹具、连接件、热电偶、陶瓷加热圈、聚四氟乙烯管、以及若干通孔螺栓、螺丝和O型密封圈；其中：

所述热电偶通过所述通孔螺栓和O型密封圈固定并密封于所述B圆形板的孔B1中；

所述硅圆片通过夹具和垫片固定并密封于B圆形板中心孔B2中；中心孔B2呈锥形；

所述辅助电极通过所述通孔螺栓和所述O型密封圈固定并密封于所述A圆形板的孔A1中所述鲁金毛细管插入所述A圆形板的孔A2中；

所述参比电极穿过A圆形板的孔A2插入鲁金毛细管中，并通过所述通孔螺栓和所述O型圈固定密封；

所述支架通过所述螺丝固定于所述A圆形板；

所述螺旋测微头固定于所述支架，并使螺旋测微头轴心与A圆形板中心重合；

所述玻璃套管穿过A圆形板中心孔A3并通过所述连接件与螺旋测微头连接，将所述陶瓷加热圈固定在所述玻璃杯体外围，将所述A圆形板和B圆形板通过所述玻璃杯体螺纹口连接并通过O型密封圈密封，形成封闭的电解池；

所述热电偶和陶瓷加热套与温度控制器连接实现温度精准控制；

所述玻璃套管上设有一支路，该支路与蠕动泵连接实现电极表面溶液流动更新，将所述聚四氟乙烯管穿过玻璃套管的中心玻璃管，然后将所述聚四氟乙烯管一端覆盖疏水透气膜靠近电极表面，用于进样，另一端与质谱相连使样品进入质谱检测系统。

2.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，质谱进样采用“上入式”进样模式，便于挥发性产物进入真空系统。

3.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，所述疏水透气膜进样口与电极表面距离可调节，调节范围为100 μm以下。

4.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，所述玻璃套管设计，使电解液从中心玻璃管与外侧玻璃管之间流出通过玻璃套管的支路与蠕动泵连接，实现电极表面液体流动和浓度精准可控，改善质谱峰电流拖尾问题。

5.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，所述B圆形板中心孔设计为锥形孔，可巧妙地利用“漏斗效应”，使电解液实现从下向上经过电极表面流入所述玻璃套管，自然形成固定的液体流动路径，避免溶液湍流影响质谱采样测试。

6.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，所述热电偶设计成与所述电极表面处同一液层，实现电极表面溶液温度的准确可控测量。

7.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，所述加热套体外设计，对池体内电解液形成环绕立体加热，一方面使电解液能够最大程度接受热源，避免电解液受热不均，另一方面避免加热设备污染电解液，与热电偶配合使用实现电解液温度的精准控制，能够满足200℃以下实验温度要求。

8.根据权利要求1所述的控温多功能流动电解池，其特征在于，疏水透气膜材料选自聚四氟乙烯微孔膜或聚偏氟乙烯微孔膜，膜孔隙率不小于50%，微孔径不大于0.2 μm，膜厚度不大于110 μm。

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