RU2692407C1 - Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods - Google Patents

Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods Download PDF

Info

Publication number
RU2692407C1
RU2692407C1 RU2017146360A RU2017146360A RU2692407C1 RU 2692407 C1 RU2692407 C1 RU 2692407C1 RU 2017146360 A RU2017146360 A RU 2017146360A RU 2017146360 A RU2017146360 A RU 2017146360A RU 2692407 C1 RU2692407 C1 RU 2692407C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrochemical cell
membrane
electrode
housing
cell according
Prior art date
Application number
RU2017146360A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эльмар Юрьевич Катаев
Алексей Антонович Рулев
Даниил Михайлович Иткис
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2017146360A priority Critical patent/RU2692407C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2692407C1 publication Critical patent/RU2692407C1/en

Links

Images

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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrochemical cells development for the electrode materials chemical composition and structure studying by X-ray radiation absorption spectroscopy. Electrochemical cell for the electrode materials studying by the X-ray radiation absorption spectroscopy method, comprising housing containing the electrolyte cavity with the auxiliary electrode placed therein; membrane, which performs the X-ray radiation window function, made with the possibility of the electrode material under study layer application from the electrolyte placement side, differs in that the housing is provided with input and output channels with valves located therein, at that, the input channel valve is the non-return valve, the output channel valve is the stop valve, the membrane is made of gas-tight material.EFFECT: technical result is increase in the electrochemical measurements stability and their reliability, with increase in the cell assembly convenience and performance, as well as in expansion of the studied electrochemical systems range.13 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к области создания электрохимических ячеек для исследований химического состава и структуры электродных материалов методами спектроскопии поглощения рентгеновского излучения.The present invention relates to the field of creating electrochemical cells for studying the chemical composition and structure of electrode materials by X-ray absorption spectroscopy.

Уровень техникиThe level of technology

Из предшествующего уровня техники известна трехэлектродная электрохимическая ячейка для спектроэлектрохимических исследований топливных элементов, состоящая из катодного и анодного пространства, разделенных протонпроводящей мембраной, и имеющая окно, выполненное из материала, выбранного из группы: селенид цинка, фторид кальция, кремний, германий, бромид калия, хлорид натрия, оксид кремния, стекло, через которое осуществляется доступ в ячейку возбуждающего излучения и регистрация аналитического сигнала детектором спектрометра (CN 103175876 В, 12.22.2011), и катодного и анодного материалов, которые осаждаются на протонпроводящую мембрану с обеих сторон. Ячейка предназначена для проведения исследований методами спектроскопии поглощения в видимой и ультрафиолетовой области, ИК и КР спектроскопии, электронной и ионной спектроскопии, рентгеновской спектроскопии.From the prior art known three-electrode electrochemical cell for spectroelectrochemical studies of fuel cells, consisting of a cathode and anode space, separated by a proton-conducting membrane, and having a window made of a material selected from the group: zinc selenide, calcium fluoride, silicon, germanium, potassium bromide, sodium chloride, silicon oxide, glass, through which access to the cell of exciting radiation and registration of the analytical signal by the spectrometer detector (CN 103175 876 B, 12.22.2011), and cathode and anode materials, which are deposited on the proton-conducting membrane on both sides. The cell is intended for research using absorption spectroscopy methods in the visible and ultraviolet regions, IR and Raman spectroscopy, electron and ion spectroscopy, and X-ray spectroscopy.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является герметичная электрохимическая ячейка для in situ спектроскопии с рабочим электродом из графена (RU 2620022 C1, 18.12.2015), лежащего на тонкой пористой подложке из нитрида кремния, которая одновременно является окном для спектроскопических измерений. В корпусе ячейки предусмотрено пространство для размещения вспомогательного электрода и электрода сравнения, жидкого электролита, а также пористого стекла для разделения электролитов рабочего и вспомогательного электродов.Closest to the claimed technical solution is a sealed electrochemical cell for in situ spectroscopy with a working graphene electrode (RU 2620022 C1, 12/18/2015) lying on a thin porous silicon nitride substrate, which is also a window for spectroscopic measurements. The cell housing provides space for placing an auxiliary electrode and a reference electrode, a liquid electrolyte, and porous glass for separating the electrolytes of the working and auxiliary electrodes.

Недостатком данного технического решения является образование пузырьков газа в процессе заполнения ячейки жидким электролитом, что приводит к нестабильности электрохимических измерений и снижает их достоверность.The disadvantage of this technical solution is the formation of gas bubbles in the process of filling the cell with a liquid electrolyte, which leads to instability of electrochemical measurements and reduces their reliability.

Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание измерительной ячейки для проведения исследований электрохимических систем in situ методом рентгеновской спектроскопии поглощения, в которой реализована эффективная система заполнения ячейки жидким электролитом, исключающая образование пузырьков газа, что повышает стабильность электрохимических измерений и их достоверность, при повышении удобства и производительности сборки ячейки, а также при расширении спектра исследуемых электрохимических систем.The task, which the claimed invention is directed to, is the creation of a measuring cell for conducting in situ studies of electrochemical systems using X-ray absorption spectroscopy, which implements an effective system for filling the cell with liquid electrolyte, which prevents the formation of gas bubbles, which increases the stability of electrochemical measurements and their reliability, increasing the convenience and productivity of cell assembly, as well as expanding the spectrum of the studied electrochemical systems.

Поставленная задача решается тем, что герметичная электрохимическая ячейка, включает корпус, содержащий полость для жидкого электролита с размещенным в ней вспомогательным электродом, и сплошную тонкую мембрану, выполненную из газоплотного материала, выполняющую функцию окна для рентгеновского излучения, с нанесенным со стороны размещения жидкого электролита слоем исследуемого электродного материала, при этом корпус снабжен входным и выходным каналами с размещенными в них клапанами, где клапан входного канала представляет собой обратный клапан, выходного - запорный.The task is solved by the fact that the sealed electrochemical cell includes a housing containing a cavity for liquid electrolyte with an auxiliary electrode placed in it, and a continuous thin membrane made of a gas-tight material, performing the function of an X-ray window, with a layer applied on the side of the liquid electrolyte placement the investigated electrode material, while the body is equipped with inlet and outlet channels with valves placed in them, where the valve of the inlet channel is a sample closing valve, output valve - shut-off.

Мембрана выполнена из материала с коэффициентом пропускания рентгеновского излучения не менее 80%., который может быть обеспечен такими материалами, как нитрид кремния, бериллий, алюминий, полиэтилентерефталат. Мембрана может иметь толщину 50-1000 нм. Слой исследуемого электрода выполняют толщиной не более 10 мкм.The membrane is made of a material with an x-ray transmittance of at least 80%, which can be provided by materials such as silicon nitride, beryllium, aluminum, polyethylene terephthalate. The membrane may have a thickness of 50-1000 nm. The layer of the investigated electrode is performed with a thickness of not more than 10 microns.

В одном из вариантов осуществления изобретения мембрана может быть прикреплена к корпусу с помощью гайки через уплотнительное кольцо и металлическую прокладку. В корпусе может быть выполнено отверстие для электрода сравнения.In one of the embodiments of the invention, the membrane can be attached to the housing with a nut through an o-ring and a metal gasket. An opening for the reference electrode can be made in the housing.

В частном варианте реализации входной клапан представляет собой обратный клапан, состоящий из цилиндрического корпуса, пружины и штока; выходной клапан выполнен запорным в виде винта, размещенного в корпусе ячейки перпендикулярно выходному каналу, а токосъемник, вспомогательного электрода выполнен в виде металлического цилиндра с резьбой на боковой поверхности. Клапаны в каналах герметизированы посредством уплотнительных элементов.In the private embodiment, the inlet valve is a check valve consisting of a cylindrical body, a spring and a rod; the outlet valve is shut-off in the form of a screw placed in the cell body perpendicular to the output channel, and the current collector of the auxiliary electrode is made in the form of a metal cylinder with a thread on the side surface. The valves in the channels are sealed by means of sealing elements.

Корпус может быть выполнен из химически стойкого изолирующего материала, выбранного из группы: полиэфирэфиркетон, тефлон, полиэтилен, полипропилен.The body can be made of a chemically resistant insulating material selected from the group: polyetheretherketone, Teflon, polyethylene, polypropylene.

Входной и выходной каналы выполнены с диаметром не менее 0.5 мм.The input and output channels are made with a diameter of at least 0.5 mm.

Заполнение ячейки жидким электролитом осуществляется путем прокачки жидкого электролита с помощью шприца через клапаны, что позволяет удалить образовавшиеся пузырьки газа из полости ячейки. В отличие от наиболее близкого аналога, где в качестве электрода сравнения использовалась металлическая проволока, токосъемник вспомогательного электрода размещен в корпусе ячейки и представляет собой металлический диск, на который может быть нанесен материал вспомогательного электрода. Это позволяет существенно расширить круг исследуемых электрохимических систем за счет возможности использования в качестве материала вспомогательного электрода порошков, фольгу и напыленных тонких слоев металла. В корпусе ячейки предусмотрено пространство для размещения электрода сравнения, представляющего собой металлическую проволоку.The cell is filled with a liquid electrolyte by pumping a liquid electrolyte with a syringe through the valves, which allows you to remove the gas bubbles formed from the cell cavity. Unlike the closest analogue, where a metal wire was used as a reference electrode, the auxiliary electrode current collector is housed in the cell body and is a metal disk on which the auxiliary electrode material can be applied. This allows you to significantly expand the range of the studied electrochemical systems due to the possibility of using powders, foils and sprayed thin layers of metal as an auxiliary electrode material. The cell housing provides space for a reference electrode, which is a metal wire.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение достоверности электрохимических измерений, за счет повышения их стабильности путем исключения образования пузырьков газа в процессе заполнения ячейки жидким электролитом, при повышении удобства и производительности сборки ячейки, а также при расширении спектра исследуемых электрохимических систем.The technical result provided by the above set of features is to increase the reliability of electrochemical measurements by increasing their stability by eliminating the formation of gas bubbles in the process of filling the cell with liquid electrolyte, while increasing the convenience and performance of the cell assembly, as well as expanding the spectrum of the electrochemical systems under study.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1 - схема электрохимической ячейки для in situ исследований методами рентгеновской спектроскопии поглощения.FIG. 1 is a diagram of an electrochemical cell for in situ studies using X-ray absorption spectroscopy.

Фиг. 2 - схема мембраны-окна для спектроскопических измерений.FIG. 2 is a diagram of a membrane-window for spectroscopic measurements.

Фиг. 3 - схема входного клапана.FIG. 3 - diagram of the inlet valve.

Фиг. 4 - а) циклическая вольтамперограмма трехэлектродной ячейки с рабочим электродом, представляющим собой порошок пентаоксида ванадия V2O5, нанесенный на мембрану из нитрида кремния, вспомогательным электродом в форме литиевой фольги и платиновой проволокой в качестве электрода сравнения; б) циклическая вольтамперограмма трехэлектродной ячейки из наиболее близкого аналога с рабочим электродом, представляющим собой порошок пентаоксида ванадия V2O5, нанесенный на мембрану из нитрида кремния, вспомогательным электродом из платиновой проволоки и платиновой проволокой в качестве электрода сравнения.FIG. 4 - a) cyclic voltammogram of a three-electrode cell with a working electrode, which is a vanadium pentoxide V 2 O 5 powder, deposited on a silicon nitride membrane, an auxiliary electrode in the form of lithium foil and a platinum wire as a reference electrode; b) a cyclic voltammogram of a three-electrode cell of the closest analogue with a working electrode, which is vanadium pentoxide V 2 O 5 powder, deposited on a silicon nitride membrane, an auxiliary electrode of platinum wire and a platinum wire as a reference electrode.

Фиг. 5 - спектры краев поглощения ванадия и кислорода, зарегистрированные с рабочего электрода из пентаоксида ванадия до (серый) и после (черный) интеркаляции лития.FIG. 5 — absorption spectra of vanadium and oxygen recorded from the working electrode of vanadium pentoxide, before (gray) and after (black) lithium intercalation.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Электрохимическая ячейка состоит из корпуса 1, содержащего полость 2 для жидкого электролита (фиг. 1). С одной из сторон корпуса 1 полость 2 отделена от окружающей среды мембраной 3, которая является окном для рентгеновского излучения и представляет собой тонкую газоплотную пластину За, расположенную на рамке 36 (фиг. 2). Мембрана 3 содержит слой исследуемого электродного материала Зв, нанесенного на нее со стороны пластины За. Мембрана 3 присоединяется к корпусу 1 с помощью гайки 4 через металлическую прокладку 5, которая служит токосъемником рабочего электрода, таким образом, что слой Зв располагается со стороны полости 2. С противоположной стороны полость 2 отделена от окружающей среды токосъемником вспомогательного электрода 6, представляющим собой металлический цилиндр с резьбой на боковой поверхности, который вкручивается в корпус 1. На основание цилиндра, располагающегося со стороны полости 2, нанесен слой вспомогательного электрода 7. Полость 2 содержит входной 8 и выходной 9 каналы, в которых размещены входной 10 и выходной 11 клапаны. Входной клапан 10 представляет собой обратный клапан (фиг. 3), где внутри цилиндрического корпуса 10а клапана расположен шток 106. Пружина 10в прижимает шток 106 через уплотнительный элемент Юг к выступу на внутренней поверхности корпуса 10а, перекрывая отток электролита. Выходной клапан 11 является запорным и может быть выполнен в виде винта, который вкручивается в корпус 1 перпендикулярно выходному каналу 9, перекрывая таким образом выходной канал. Входной и выходной клапаны 10 и 11, токосъемник вспомогательного электрода 6 и мембрана 3 снабжены уплотнительными элементами 12 для обеспечения герметичности ячейки. В корпусе 1 дополнительно может быть выполнено отверстие 13 для ввода электрода сравнения в виде металлической проволоки, с обеспечивающим герметичность элементом. Входной и выходной каналы могут быть выполнены диаметром не менее 0.5 мм, так как при меньшем диаметре каналов сопротивление потоку жидкости при заполнении окажется слишком велико.The electrochemical cell consists of a housing 1 containing a cavity 2 for a liquid electrolyte (Fig. 1). On one side of the housing 1, the cavity 2 is separated from the environment by a membrane 3, which is an X-ray window and is a thin gas-tight plate behind located on the frame 36 (Fig. 2). The membrane 3 contains a layer of the studied electrode material Sv, deposited on it from the side of the Za plate. The membrane 3 is attached to the housing 1 by means of a nut 4 through a metal gasket 5, which serves as the current collector of the working electrode, so that the layer Sv is located on the side of the cavity 2. On the opposite side, the cavity 2 is separated from the environment by the current collector of the auxiliary electrode 6, which is a metallic cylinder with a thread on the side surface, which is screwed into the housing 1. On the base of the cylinder, located on the side of the cavity 2, a layer of auxiliary electrode 7 is applied. The cavity 2 contains in 8 and the discharge outlet channels 9, which has an input 10 and outlet 11 valves. The inlet valve 10 is a check valve (FIG. 3), where a rod 106 is located inside the cylindrical valve body 10a. A spring 10c presses the rod 106 through the sealing element South to the protrusion on the inner surface of the body 10a, blocking the outflow of electrolyte. The output valve 11 is shut-off and can be made in the form of a screw, which is screwed into the housing 1 perpendicular to the output channel 9, thus blocking the output channel. The inlet and outlet valves 10 and 11, the current collector of the auxiliary electrode 6 and the membrane 3 are provided with sealing elements 12 to ensure the tightness of the cell. In the housing 1 can additionally be made a hole 13 for the input of the reference electrode in the form of metal wire, with providing the tightness of the element. The inlet and outlet channels can be made with a diameter of at least 0.5 mm, since with a smaller diameter of the channels, the resistance to the flow of liquid during filling will be too large.

Корпус 1 может быть выполнен в форме параллелепипеда с линейным размером до 10 см из химически стойкого изолирующего материала, выбранного из группы: полиэфирэфиркетон, тефлон, полиэтилен, полипропилен. Клапаны 10 и 11, металлическая прокладка 5, гайка 4 и токосъемник вспомогательного электрода 6 могут быть выполнены из нержавеющей стали. В качестве электрода сравнения могут быть использованы металлические проволоки, выполненные из платины, серебра, золота. Материал вспомогательного электрода 7 может представлять собой порошок, фольгу или тонкий слой металла. Толщина слоя может составлять до 10 мкм для обеспечения его полного смачивания жидким электролитом. Мембрана 3 может быть выполнена из материала, имеющего коэффициент пропускания рентгеновского излучения не менее 80%, выбранного из группы: нитрид кремния, бериллий, алюминий, полиэтилентерефталат. Толщина мембраны зависит от выбранного материала и энергии рентгеновского излучения, и может варьироваться в диапазоне от 50 до 1000 нм, что позволит регистрировать аналитический сигнал приемлемого качества при сохранении механической прочности мембраны.Case 1 can be made in the form of a parallelepiped with a linear size of up to 10 cm from a chemically resistant insulating material selected from the group: polyetheretherketone, teflon, polyethylene, polypropylene. The valves 10 and 11, the metal gasket 5, the nut 4 and the current collector of the auxiliary electrode 6 can be made of stainless steel. Metallic wires made of platinum, silver, gold can be used as a reference electrode. The material of the auxiliary electrode 7 may be a powder, a foil or a thin layer of metal. The layer thickness can be up to 10 microns to ensure its complete wetting with a liquid electrolyte. The membrane 3 can be made of a material having an x-ray transmittance of at least 80% selected from the group: silicon nitride, beryllium, aluminum, polyethylene terephthalate. The thickness of the membrane depends on the selected material and the energy of X-rays, and can vary in the range from 50 to 1000 nm, which will allow you to record an analytical signal of acceptable quality while maintaining the mechanical strength of the membrane.

Техническое решение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.The technical solution is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of this technical solution, but are merely illustrative materials of a particular implementation case.

Работает устройство следующим образом.The device works as follows.

На мембрану 3 со стороны пластины 3а наносят слой 3в исследуемого электродного материала. Слой 3в может быть нанесен на мембрану 3 различными методами: нанесением суспензии на вращающуюся подложку, накалыванием, магнетронным или термическим напылением. Затем мембрану 3 прижимают к корпусу 1 через металлическую прокладку 5 с помощью гайки 4 таким образом, что слой нанесенного материала 3в располагается со стороны полости 2. На токосъемник вспомогательного электрода 6 наносят материал вспомогательного электрода 7, и вкручивают токосъемник 6 в корпус 1. Слой материала вспомогательного электрода 7 может быть нанесен на токосъемник 6 различными методами: нанесением суспензии на вращающуюся подложку, накалыванием, магнетронным или термическим напылением, прикатыванием. В отверстие 13 помещают вспомогательный электрод. Во входной клапан 10 вставляют шприц с жидким электролитом. При приложении давления к поршню шприца, достаточного для сжатия пружины 10в, пружина сжимается, шток 86 смещается, открывая проток для электролита. Жидкий электролит прокачивается через полость и выходит через выходной канал 9. При снятии давления после прокачивания электролита шток 86 прижимается к выступам на внутренней поверхности корпуса клапана 10а, перекрывая, таким образом, клапан 10. Клапан 11 вкручивают в корпус, блокируя выходной канал 9. Собранная ячейка закрепляется на держателе для образцов и помещается в камеру спектрометра, электрод сравнения, а также рабочий и вспомогательный электроды через токосъемники 5 и 6 подключаются к потенциостату, и проводятся электрохимические измерения. Источник излучения и детектор спектрометра фокусируются на мембране 3, и таким образом регистрируют аналитический сигнал со слоя исследуемого электродного материала Зв, нанесенного на мембрану 3.On the membrane 3 from the side of the plate 3a put a layer 3c of the investigated electrode material. Layer 3b can be applied to the membrane by 3 different methods: by applying a suspension on a rotating substrate, by pinning, magnetron or by thermal spraying. Then the membrane 3 is pressed to the housing 1 through a metal gasket 5 with the help of a nut 4 so that the layer of applied material 3b is located on the side of cavity 2. The material of the auxiliary electrode 7 is applied to the current collector of the auxiliary electrode 6 and the current collector 6 is screwed into the body 1. The material layer the auxiliary electrode 7 can be applied to the current collector by 6 different methods: by applying a suspension on a rotating substrate, by pinning, magnetron or thermal spraying, by rolling. In the hole 13 is placed an auxiliary electrode. In the inlet valve 10 insert a syringe with a liquid electrolyte. When pressure is applied to the syringe piston sufficient to compress the spring 10c, the spring is compressed, the rod 86 is displaced, opening the duct for the electrolyte. Liquid electrolyte is pumped through the cavity and out through the output channel 9. When the pressure is removed after pumping electrolyte, the rod 86 is pressed against the protrusions on the inner surface of the valve body 10a, thus blocking the valve 10. The valve 11 is screwed into the body, blocking the output channel 9. Assembled the cell is fixed on the sample holder and placed in the spectrometer chamber, reference electrode, as well as the working and auxiliary electrodes are connected to the potentiostat through the current collectors 5 and 6, and electrochemical Measurements. The radiation source and the spectrometer detector are focused on the membrane 3, and thus an analytical signal is recorded from the layer of the studied electrode material Sv deposited on the membrane 3.

Пример 1Example 1

Ячейка была использована для анализа процессов интеркаляции/деинтеркаляции лития в оксидные материалы методом рентгеновской спектроскопии поглощения. Для этого в ячейку помещали мембрану из нитрида кремния (производства компании Norcada) толщиной 100 нм, расположенную на кремниевой рамке толщиной 0.5 мм, с нанесенным на нее слоем пентаоксида ванадия V2O5. В качестве материала вспомогательного электрода использовали литиевую фольгу толщиной 100 мкм, которую прикатывали на токосъемник вспомогательного электрода. В качестве электрода сравнения использовали платиновую проволоку, жидкий электролит представлял собой 1 М раствор перхлората лития (LiClO4) в пропиленкарбонате. Диаметры входного и выходного каналов составляли 3 мм, в качестве входного клапана использовали клапан диаметром 3 мм производства фирмы Cambridge Reactor Design. Циклическая вольтамперограмма интеркаляции/деинтеркаляции лития в такой ячейке представлена на Фиг. 4а. Для сравнения на Фиг. 4б представлена циклическая вольтамперограмма электрохимической ячейки из наиболее близкого аналога, прямоугольником отмечена область искажений вольтамперограммы вследствие наличия пузырьков газа. Видно, что в описанной ячейке на вольамперограмме не наблюдается шумов. Спектр края рентгеновского поглощения ванадия для электрода до и после разряда ячейки представлен на Фиг. 5. Видно, что удается регистрировать спектры рентгеновского поглощения электродов внутри ячейки (in situ) с высоким соотношением сигнал-шум, что важно для дальнейшего анализа химического состояния элементов в электроде.The cell was used to analyze the processes of intercalation / deintercalation of lithium into oxide materials using X-ray absorption spectroscopy. To this end, a 100-nm-thick silicon nitride membrane (manufactured by Norcada) was placed in a cell, located on a 0.5-mm-thick silicon frame with a layer of vanadium pentoxide V 2 O 5 deposited on it. The material of the auxiliary electrode used lithium foil with a thickness of 100 μm, which was rolled onto the auxiliary electrode current collector. A platinum wire was used as a reference electrode, the liquid electrolyte was a 1 M solution of lithium perchlorate (LiClO 4 ) in propylene carbonate. The diameters of the inlet and outlet channels were 3 mm; a valve with a diameter of 3 mm manufactured by Cambridge Reactor Design was used as an inlet valve. The cyclic voltammogram of lithium intercalation / deintercalation in such a cell is shown in FIG. 4a. For comparison in FIG. 4b shows a cyclic voltammogram of an electrochemical cell of the closest analogue; a rectangle indicates the region of distortion of the voltamogram due to the presence of gas bubbles. It is seen that in the described cell on the volamperogram no noise is observed. The spectrum of the edge of x-ray absorption of vanadium for the electrode before and after the discharge of the cell is shown in FIG. 5. It can be seen that it is possible to record X-ray absorption spectra of the electrodes inside the cell (in situ) with a high signal-to-noise ratio, which is important for further analysis of the chemical state of the elements in the electrode.

Claims (13)

1. Электрохимическая ячейка для исследований электродных материалов методом спектроскопии поглощения рентгеновского излучения, включающая корпус, содержащий полость для электролита с размещенным в ней вспомогательным электродом; мембрану, выполняющую функцию окна для рентгеновского излучения, выполненную с возможностью нанесения слоя исследуемого электродного материала со стороны размещения электролита, отличающаяся тем, что корпус снабжен входным и выходным каналами с размещенными в них клапанами, при этом клапан входного канала представляет собой обратный клапан, выходного - запорный, мембрана выполнена из газоплотного материала.1. Electrochemical cell for the study of electrode materials by the method of x-ray absorption spectroscopy, comprising a housing containing an electrolyte cavity with an auxiliary electrode placed in it; a membrane that serves as an X-ray window, made with the possibility of applying a layer of the electrode material under study from the electrolyte placement side, characterized in that the housing is equipped with inlet and outlet channels with valves placed in them, the inlet valve is a check valve, the output is shut-off, the membrane is made of gas-tight material. 2. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что мембрана выполнена из материала с коэффициентом пропускания рентгеновского излучения не менее 80%.2. The electrochemical cell of claim. 1, characterized in that the membrane is made of a material with an x-ray transmittance of at least 80%. 3. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что мембрана выполнена из нитрида кремния, бериллия, алюминия, полиэтилентерефталата.3. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the membrane is made of silicon nitride, beryllium, aluminum, polyethylene terephthalate. 4. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что мембрана выполнена толщиной 50-1000 нм.4. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the membrane is made with a thickness of 50-1000 nm. 5. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что слой исследуемого электрода выполнен толщиной не более 10 мкм.5. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the layer of the electrode under study is made with a thickness of not more than 10 microns. 6. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что мембрана прикреплена к корпусу с помощью гайки через уплотнительное кольцо и металлическую прокладку.6. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the membrane is attached to the housing with a nut through a sealing ring and a metal gasket. 7. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнено отверстие для электрода сравнения.7. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the housing has an opening for the reference electrode. 8. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что входной клапан представляет собой обратный клапан, состоящий из цилиндрического корпуса, пружины и штока.8. The electrochemical cell under item 1, characterized in that the inlet valve is a check valve consisting of a cylindrical body, a spring and a rod. 9. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что выходной клапан выполнен запорным в виде винта, размещенного в корпусе ячейки перпендикулярно выходному каналу.9. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the output valve is shut-off in the form of a screw placed in the cell body perpendicular to the output channel. 10. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус выполнен из химически стойкого изолирующего материала, выбранного из группы: полиэфирэфиркетон, тефлон, полиэтилен, полипропилен.10. The electrochemical cell of claim. 1, characterized in that the housing is made of a chemically resistant insulating material selected from the group: polyetheretherketone, teflon, polyethylene, polypropylene. 11. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что токосъемник, вспомогательного электрода выполнен в виде металлического цилиндра с резьбой на боковой поверхности.11. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the current collector, the auxiliary electrode is made in the form of a metal cylinder with a thread on the side surface. 12. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что клапаны в каналах герметизированы посредством уплотнительных элементов.12. The electrochemical cell of claim. 1, characterized in that the valves in the channels are sealed by means of sealing elements. 13. Электрохимическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что входной и выходной каналы выполнены с диаметром не менее 0.5 мм.13. The electrochemical cell according to p. 1, characterized in that the input and output channels are made with a diameter of at least 0.5 mm.
RU2017146360A 2017-12-27 2017-12-27 Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods RU2692407C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146360A RU2692407C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146360A RU2692407C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2692407C1 true RU2692407C1 (en) 2019-06-24

Family

ID=67038091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017146360A RU2692407C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2692407C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080012438A (en) * 2006-08-03 2008-02-12 전남대학교산학협력단 Electrochemical test in-situ cell for x-ray absorption spectroscopy
CN103175876A (en) * 2011-12-22 2013-06-26 中国科学院大连化学物理研究所 Spectroelectrochemical in-situ pool and application thereof
RU2620022C1 (en) * 2015-12-18 2017-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Electrochemical cell for in situ spectroscopy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080012438A (en) * 2006-08-03 2008-02-12 전남대학교산학협력단 Electrochemical test in-situ cell for x-ray absorption spectroscopy
CN103175876A (en) * 2011-12-22 2013-06-26 中国科学院大连化学物理研究所 Spectroelectrochemical in-situ pool and application thereof
RU2620022C1 (en) * 2015-12-18 2017-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Electrochemical cell for in situ spectroscopy

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"The AMPIX electrochemical cell: a versatile apparatus for in situ X-ray scattering and spectroscopic measurements", Journal of Applied Crystallography, т. 45, в. 6, стр. 1261-1269, 18.11.2012. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Masuda et al. In situ x-ray photoelectron spectroscopy for electrochemical reactions in ordinary solvents
Oickle et al. Carbon oxidation and its influence on self-discharge in aqueous electrochemical capacitors
Meini et al. The role of electrolyte solvent stability and electrolyte impurities in the electrooxidation of Li2O2 in Li-O2 batteries
Portet et al. Electrochemical characterizations of carbon nanomaterials by the cavity microelectrode technique
KR102214834B1 (en) In-situ coin cell for X-ray analysis and method of manufacturing the same and method of analyzing the same using X-ray
RU2620022C1 (en) Electrochemical cell for in situ spectroscopy
Bondue et al. Quantitative study for oxygen reduction and evolution in aprotic organic electrolytes at gas diffusion electrodes by DEMS
CN107389591B (en) Raman and infrared spectrum dual-purpose in-situ detection sealed electrolytic cell and use method thereof
CN206557134U (en) Beryllium window in-situ TiC particles button cell
CN103257356A (en) Measuring device and measuring method for tritium concentration in sealed container
JP2008128652A (en) Electrochemical infrared spectroscope and electrochemical infrared spectroscopic measuring method
CN103884728A (en) Synchrotron radiation in-situ detection device used for electrocatalysis reaction
Favaro et al. Spectroscopic analysis with tender X-rays: SpAnTeX, a new AP-HAXPES end-station at BESSY II
Haregewoin et al. An effective In Situ drifts analysis of the solid electrolyte interface in lithium-ion battery
Kobayashi et al. Rechargeable PEM fuel-cell batteries using porous carbon modified with carbonyl groups as anode materials
Novak et al. Anodic oxidation of propylene carbonate on platinum, glassy carbon and polypyrrole: An “in-situ” FTIR study
RU2692407C1 (en) Electrochemical cell for the electrode materials studying by the x-ray radiation absorption spectroscopy methods
Zeradjanin et al. Expanding the frontiers of hydrogen evolution electrocatalysis–searching for the origins of electrocatalytic activity in the anomalies of the conventional model
Mansour et al. X-ray absorption spectroscopic study of sodium iodide and iodine mediators in a solid-state supercapacitor
Hartung et al. Note: Electrochemical cell for in operando X-ray diffraction measurements on a conventional X-ray diffractometer
Sun et al. Chemical states of bismuth and sulfur adatoms on the polycrystalline Pt electrode surface towards HCOOH oxidation—combined studies of cyclic voltammetry, in situ FTIRS and XPS on the origin of electrocatalytic activity of adatoms
Celotta et al. Electron energy loss spectrum of ozone
CN114923964B (en) Electrochemical in-situ X-ray spectroscopy electrolytic cell and testing method and application thereof
CN109470725B (en) Synchrotron radiation in-situ testing device for catalyst in catalyst layer of fuel cell
RU2654314C1 (en) Electrochemical cell with graphene electrode for in situ research of electrode materials and solid or gel electrolytes