CN212674759U - 一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池，所述的原位光谱反应池包括由上至下依次叠放的空腔窗体、阳极腔体、膜电极和阴极底座；所述的阳极腔体上开设通孔，通孔外缘与空腔窗体底面边缘相接，所述的通孔与空腔窗体的内部空腔相通形成阳极反应室，所述的空腔窗体上镶嵌有至少两块透光窗片；所述的阴极底座上开设有凹槽结构的阴极反应室，所述的阴极反应室对接阳极反应室；所述的膜电极位于阳极反应室和阴极反应室的对接面，所述的层状电极将阳极反应室和阴极反应室分隔为各自独立的封闭反应室。实现光电催化和光电转化反应的活性测试和原位光谱同步表征，用于探索反应材料性能和反应机理。

Description

一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池

技术领域

本实用新型属于光谱分析检测技术领域，涉及一种原位光谱反应池，尤其涉及一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池。

背景技术

光电转化和光电催化在能源、环境和化工领域具有广泛应用。其原理是基于材料或器件被各种波长的光辐射或电流激发，产生光电子进而获得电能或产生的表面活性物种与目标分子之间发生化学反应，从而实现污染治理或化学合成。光电转化和光电催化反应电极表面的化学机制对于测试并改进电极材料的性能是至关重要的。

CN110296938A公开了一种自由基簇射氛围下原位红外光谱反应装置，包括：壳体，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体密封连接，使得所述壳体内形成密闭空腔；喷嘴电极，一端从所述上壳体的顶部伸入至所述密闭空腔内，另一端位于所述上壳体外部，并通入电极气，所述喷嘴电极与高压电源连接；两个红外光路窗口，设置于所述上壳体上；观察窗口，设置于所述上壳体上；反应池主体，设置于所述密闭空腔内，所述反应池主体的顶部设有第一凹槽，所述反应池主体与所述下壳体的内壁之间设有空隙，形成环绕所述反应池四周的气体通道；极板，设置于所述第一凹槽内，并位于所述喷嘴电极的一端下方；及第一电缆，一端伸入至所述下壳体内并与所述极板连接，另一端接地；其中，所述下壳体上设有两个气管连接口，分别用于与进气管和出气管连接。

CN209766591U公开了一种二次电池原位光谱测试反应池，包括阳极上盖、阳极主体、阴极底座、压实导电装置、第一密封件、隔膜、锂片；阳极上盖上开设有第一通孔，阳极主体顶端开设有第一凹槽，第一凹槽内设有光学窗口，阳极主体底端开设有第二凹槽，阳极上盖、阳极主板、阴极底座自上而下依次可拆卸连接，并致使所述光学窗口、第二凹槽、第三凹槽之间形成密封腔体，压实导电装置包括金属凸台，金属凸台安装在所述密封腔体中，待测样品、所述隔膜、所述锂片依次被夹持在光学窗口与金属凸台顶部之间。

CN106885774A公开了一种具有三明治结构的薄层光谱电化学检测装置。本检测装置上层金属面板和下层金属面板之间依次设有橡胶隔垫、上层透视窗、聚合物垫圈和下层透视窗；聚合物垫圈设置在上层透视窗和下层透视窗之间；形成类似三明治的多层结构；薄层内设工作电极、参比电极和辅助电极，构成三电极的电化学反应池；下层透视窗外周设有保护套；保护套中间设有通孔，通孔刚好能放置下层透视窗和聚合物垫圈；电极连接插孔设置在保护套外侧。

但目前已知的反应池无法实现光电催化和光电转化反应的原位光谱检测，因此亟需设计一种可同时实现光电催化和光电转化反应的原位光谱反应池。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池，可用于进行光电催化和光电转化反应，实现光电催化和光电转化反应的活性测试和原位光谱同步表征，用于探索反应材料性能和反应机理，反应池加工方便，可批量生产。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池，所述的原位光谱反应池包括由上至下依次叠放的空腔窗体、阳极腔体、膜电极和阴极底座。

所述的阳极腔体上开设通孔，通孔外缘与空腔窗体底面边缘相接，所述的通孔与空腔窗体的内部空腔相通形成阳极反应室，所述的空腔窗体上镶嵌有至少两块透光窗片。

所述的阴极底座上开设有凹槽结构的阴极反应室，所述的阴极反应室对接阳极反应室。

所述的膜电极位于阳极反应室和阴极反应室的对接面，所述的层状电极将阳极反应室和阴极反应室分隔为各自独立的封闭反应室。

本实用新型提供的原位光谱反应池可用于进行光电催化和光电转化反应，实现光电催化和光电转化反应的活性测试和原位光谱同步表征，用于探索反应材料性能和反应机理，反应池加工方便，可批量生产。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的膜电极为夹层结构。

所述的膜电极包括由上至下依次层叠设置的阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层，所述的阳极催化层一侧位于阳极反应室，所述的阴极催化层一侧位于阴极反应室。

作为本实用新型一个优选的技术方案，所述的阳极催化层为钛基体。

所述的质子交换膜为固态电解质膜。

所述的质子交换膜为Nafion117。

所述的阴极催化层为碳纤维纸基体。

所述的阳极催化层和阴极催化层分别独立地外接导线。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的空腔窗体为半球形薄壁壳体。

所述的薄壁空腔壳体上镶嵌有第一透光窗片和第二透光窗片，光束穿过第一透光窗片射入阳极反应室，经阳极催化层反射后由第二透光窗片穿出。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的薄壁空腔壳体上镶嵌有第一透光窗片和第二透光窗片，光束穿过第一透光窗片射入阳极反应室，经阳极催化层反射后由第二透光窗片穿出。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的第一透光窗片和第二透光窗片的材质为硒化锌、硫化锌或氟化钙。

所述的第一透光窗片和第二透光窗片的材质相同。

两块透光窗片所采用的窗体材料根据原位光谱检测技术的需要选择可以透过特定波长范围光束的透明材料，从而与对应的光谱仪结合实现光电催化或光电转化反应的原位光谱检测。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的薄壁空腔壳体上还镶嵌有至少一块石英窗片。

紫外光穿过石英窗片进入阳极反应室内照射到阳极催化层表面进行光电催化反应。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的阳极腔体一侧连接阳极进气管路和阳极出气管路，所述的阳极进气管路和阳极出气管路分别独立连通阳极反应室。

所述的阴极底座一侧连接阴极进气管路和阴极出气管路，所述的阴极进气管路和阴极出气管路分别独立连通阴极反应室。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的阳极腔体一侧还连接有导线容纳管路，所述的导线容纳管路用于收纳与阳极催化层和阴极催化层外接的导线。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的阳空腔窗体与阳极腔体通孔之间的接触面设置有绝缘垫圈。

所述阳极催化层的上表面与通孔的接触面设置有绝缘垫圈。

所述阳极催化层的侧边外缘与通孔内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈。

所述阴极催化层的下表面与凹槽的接触面设置有绝缘垫圈。

所述阴极催化层的侧边外缘与凹槽内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈。

所述的绝缘垫圈的材质为聚四氟乙烯。

所述的阳极腔体和阴极底座通过螺栓固定连接。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的反应池侧壁还设置有固定件，所述的固定件用于将反应池固定于红外光谱仪的光学检测台上。

所述的固定件为螺栓。

本实用新型提供的原位光谱反应池的工作过程如下：

(1)导线穿过导线容纳管路分别接入阳极催化层和阴极催化层构成电流回路。将含挥发性有机物的气体通过阳极进气管路通入阳极反应室，由阳极出气管路流出阳极反应室，挥发性有机物在阳极反应室内进行阳极反应，保持挥发性有机物在阳极反应室内连续流动。空气通过阴极进气管路流入阴极反应室，由阴极出气管路流出阴极反应室，空气在阴极反应室内进行阴极反应，保持空气在阴极反应室内连续流动。

(2)原位红外光谱仪发射的红外光透过第一透光窗片照射到阳极催化层表面，漫反射的红外光从第二透光窗片透出并进入红外光谱仪的光学检测台，经聚光反射进入红外光谱仪检测器，从而实现挥发性有机物光电转化反应的原位红外光谱检测。

(3)原位红外光谱仪发射的红外光透过第一透光窗片照射到阳极电极表面，紫外光透过石英窗片照射到阳极电极表面对阳极催化层进行光电催化反应，漫反射的红外光从第二透光窗片透出并进入红外光谱仪的光学检测台，经聚光反射进入红外光谱仪检测器，从而实现挥发性有机物光电催化反应的原位红外光谱检测。

(4)步骤(2)或步骤(3)择一进行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的原位光谱反应池可用于进行光电催化和光电转化反应，实现光电催化和光电转化反应的活性测试和原位光谱同步表征，用于探索反应材料性能和反应机理，反应池加工方便，可批量生产。

附图说明

图1为本实用新型一个具体实施方式提供的原位光谱反应池的立体结构图；

图2为本实用新型一个具体实施方式提供的原位光谱反应池的剖面图；

其中，1-阳极腔体；2-空腔窗体；3-阳极反应室；4-阳极催化层；5-阴极底座；6-阴极反应室；7-阴极催化层；8-阳极进气管路；9-阴极进气管路；10-导线容纳管路；11-阴极出气管路；12-阳极出气管路；13-第一透光窗片；14-第二透光窗片；15-石英窗片。

具体实施方式

需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池，所述的原位光谱反应池如图1和图2所示包括由上至下依次叠放的空腔窗体2、阳极腔体1、膜电极和阴极底座5。

阳极腔体1上开设通孔，通孔外缘与空腔窗体2底面边缘相接，通孔与空腔窗体2的内部空腔相通形成阳极反应室3。阳极腔体1一侧连接阳极进气管路8和阳极出气管路12，阳极进气管路8和阳极出气管路12分别独立连通阳极反应室3，通过阳极进气管路8向阳极反应室3内通入含挥发性有机物的气体，含挥发性有机物的气体经阳极出气管路12排出，含挥发性有机物气体在阳极反应室3内连续流动并发生阳极反应。

空腔窗体2为半球形薄壁壳体，空腔窗体2上镶嵌有第一透光窗片13和第二透光窗片14，光束穿过第一透光窗片13射入阳极反应室3，经阳极催化层4反射后由第二透光窗片14穿出。第一透光窗片13和第二透光窗片14所采用的窗体材料根据原位光谱检测技术的需要选择可以透过特定波长范围光束的透明材料，从而与对应的光谱仪结合实现光电催化或光电转化反应的原位光谱检测，具体地，透光窗片所采用的窗体材料可选为ZnSe、ZnS或CaF₂。空腔窗体2上还镶嵌有一块石英窗片15，紫外光穿过石英窗片15进入阳极反应室3内照射到阳极催化层4表面进行光电催化反应。

如图2所示，膜电极为夹层结构，具体包括由上至下依次层叠设置的阳极催化层4、质子交换膜和阴极催化层7，阳极催化层4一侧位于阳极反应室3，阴极催化层7一侧位于阴极反应室6。进一步地，阳极催化层4为钛基体，质子交换膜为固态电解质膜，质子交换膜可选为Nafion117，阴极催化层7为碳纤维纸基体。阳极催化层4和阴极催化层7分别独立地外接导线。

阴极底座5上开设有凹槽结构的阴极反应室6，阳极腔体1和阴极底座5通过螺栓固定连接，阳极反应室3对接阴极反应室6，膜电极设置于阳极反应室3和阴极反应室6的对接面，膜电极将阳极反应室3和阴极反应室6分隔为各自独立的封闭反应室。阴极底座5一侧连接阴极进气管路9和阴极出气管路11，阴极进气管路9和阴极出气管路11分别独立连通阴极反应室6。通过阴极进气管路9向阴极反应室6内通入空气，空气经阴极出气管路11排出，空气在阴极反应室6内连续流动并发生阴极反应。阳极腔体1一侧还连接有导线容纳管路10，导线容纳管路10用于收纳与阳极催化层4和阴极催化层7外接的导线。

在本具体实施方式中，各部件的接触面还设置有绝缘件。可选地，密封件的样式为绝缘垫圈，密封件的材质为聚四氟乙烯。

密封件可选的具体布置位置如下：

(1)空腔窗体2与阳极腔体1通孔之间的接触面设置有绝缘垫圈；

(2)阳极催化层4的上表面外缘与通孔之间的接触面设置有绝缘垫圈；

(3)阳极催化层4的侧边外缘与通孔内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈；

(4)阴极催化层7下表面外缘与凹槽之间的接触面设置有绝缘垫圈；

(5)阴极催化层7的侧边外缘与凹槽内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈。

反应池侧壁还设置有固定件，固定件用于将反应池固定于红外光谱仪的光学检测台上，固定件的样式可选为螺栓。

本具体实施方式提供的原位光谱反应池的工作过程如下：

(1)导线穿过导线容纳管路10分别接入阳极催化层4和阴极催化层7构成电流回路。将含挥发性有机物的气体通过阳极进气管路8通入阳极反应室3，由阳极出气管路12流出阳极反应室3，挥发性有机物在阳极反应室3内进行阳极反应，保持挥发性有机物在阳极反应室3内连续流动。空气通过阴极进气管路9流入阴极反应室6，由阴极出气管路11流出阴极反应室6，空气在阴极反应室6内进行阴极反应，保持空气在阴极反应室6内连续流动。

(2)原位红外光谱仪发射的红外光透过第一透光窗片13照射到阳极催化层4表面，漫反射的红外光从第二透光窗片14透出并进入红外光谱仪的光学检测台，经聚光反射进入红外光谱仪检测器，从而实现挥发性有机物光电转化反应的原位红外光谱检测。

(3)原位红外光谱仪发射的红外光透过第一透光窗片13照射到阳极电极表面，紫外光透过石英窗片15照射到阳极电极表面对阳极催化层4进行光电催化反应，漫反射的红外光从第二透光窗片14透出并进入红外光谱仪的光学检测台，经聚光反射进入红外光谱仪检测器，从而实现挥发性有机物光电催化反应的原位红外光谱检测。

(4)步骤(2)或步骤(3)择一进行。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种光电催化和光电转化的原位光谱反应池，其特征在于，所述的原位光谱反应池包括由上至下依次叠放的空腔窗体、阳极腔体、膜电极和阴极底座；

所述的阳极腔体上开设通孔，通孔外缘与空腔窗体底面边缘相接，所述的通孔与空腔窗体的内部空腔相通形成阳极反应室，所述的空腔窗体上镶嵌有至少两块透光窗片；

所述的阴极底座上开设有凹槽结构的阴极反应室，所述的阴极反应室对接阳极反应室；

所述的膜电极位于阳极反应室和阴极反应室的对接面，所述的膜电极将阳极反应室和阴极反应室分隔为各自独立的封闭反应室。

2.根据权利要求1所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的膜电极为夹层结构；

所述的膜电极包括由上至下依次层叠设置的阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层，所述的阳极催化层一侧位于阳极反应室，所述的阴极催化层一侧位于阴极反应室。

3.根据权利要求2所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的阳极催化层为钛基体；

所述的质子交换膜为固态电解质膜；

所述的质子交换膜为Nafion117；

所述的阴极催化层为碳纤维纸基体；

所述的阳极催化层和阴极催化层分别独立地外接导线。

4.根据权利要求1所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的空腔窗体为半球形薄壁壳体；

所述的半球形薄壁壳体上镶嵌有第一透光窗片和第二透光窗片，光束穿过第一透光窗片射入阳极反应室，经阳极催化层反射后由第二透光窗片穿出。

5.根据权利要求4所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的第一透光窗片和第二透光窗片的材质为硒化锌、硫化锌或氟化钙；

所述的第一透光窗片和第二透光窗片的材质相同。

6.根据权利要求4所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的薄壁空腔壳体上还镶嵌有至少一块石英窗片。

7.根据权利要求1所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的阳极腔体一侧连接阳极进气管路和阳极出气管路，所述的阳极进气管路和阳极出气管路分别独立连通阳极反应室；

所述的阴极底座一侧连接阴极进气管路和阴极出气管路，所述的阴极进气管路和阴极出气管路分别独立连通阴极反应室。

8.根据权利要求1所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的阳极腔体一侧还连接有导线容纳管路，所述的导线容纳管路用于收纳与阳极催化层和阴极催化层外接的导线。

9.根据权利要求2所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的空腔窗体与阳极腔体通孔之间的接触面设置有绝缘垫圈；

所述阳极催化层的上表面与通孔的接触面设置有绝缘垫圈；

所述阳极催化层的侧边外缘与通孔内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈；

所述阴极催化层的下表面与凹槽的接触面设置有绝缘垫圈；

所述阴极催化层的侧边外缘与凹槽内壁之间的接触面设置有绝缘垫圈；

所述的绝缘垫圈的材质为聚四氟乙烯；

所述的阳极腔体和阴极底座通过螺栓固定连接。

10.根据权利要求1所述的原位光谱反应池，其特征在于，所述的反应池侧壁还设置有固定件，所述的固定件用于将反应池固定于红外光谱仪的光学检测台上；

所述的固定件为螺栓。

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