CN103852501B - 一种多功能光电化学测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能光电化学测试装置，包括化学池组件、前密封盖组件和后密封盖组件，化学池组件包括化学池壳体、第一圆孔、第二圆孔和化学池腔体，第一、二圆孔设置在化学池壳体侧壁上，分别用来安装对电极和参比电极，化学池腔体盛放电解质；前密封盖组件包括前密封盖和通光圆孔；后密封盖组件包括无孔密封盖和开孔密封盖；在进行导电玻璃工作电极光电化学反应测试时，安装无孔密封盖，前密封盖与化学池壳体间隙安放导电玻璃工作电极；在进行玻碳工作电极光电化学反应测试时，前密封盖与化学池壳体间隙安放石英片，安装开孔密封盖，从开孔处向化学池腔体内放入玻碳工作电极。实施本发明可解决现有装置功能单一和实验误差较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，更具体地，涉及一种多功能光电化学测试装置。
背景技术
煤炭、石油和其他化石能源的巨量消费已成为全世界大气污染的主要来源。这些常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。在新能源领域中，氢能已普遍被认为是一种最理想的新世纪无污染绿色能源，这是因为氢燃烧，水是它的唯一产物。氢是自然界中最丰富的元素，它广泛地存在于水、矿物燃料和各类碳水化合物中。然而，传统的制氢方法，需要消耗巨大的常规能源，使氢能身价太高，大大限制了氢能的推广应用。
上个世纪70年代，日本科学家们发现了以光催化材料为“媒介”，能利用取之不尽、廉价的太阳能把水裂解为燃料电池所必需的氧和氢，科学家称这种仅用阳光和水生产出氢和氧的技术为“人类的理想技术之一”。同时，利用光裂解水就必须使用光催化材料，科学家们往水中加入一些半导体光催化材料，通过这些物质吸收太阳光能并有效地传给水分子，使水发生光解。光催化制氢和氧气技术的基本原理，以二氧化钛半导体光催化材料为例，当太阳光照射二氧化化钛时，其价带上的电子（e-）就会受激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴（h＋）,形成了电子空穴对。产生的电子（e-）、空穴(h＋)在内部电场作用下分离并迁移到粒子表面。水在这种电子-空穴对的作用下发生电离生成氢气和氧气。由于电子空穴对的分离步骤是制约产氢气和氧气的关键因素之一，所以近些年来，科学家们将电化学原理与光结合在一起，共同催化水制氢气和氧气，简称光电催化（PEC）,它的原理是在光催化技术基础上，采用电化学三电极测试体系，将光催化剂半导体材料修饰的电极当作工作电极，铂片当作对电极，另外银/氯化银电极作为参比电极以用来设定工作电极的偏压。该方法的优点是，(1)将产氢气和氧气分别在光催化剂工作电极和铂片(丝)对电极上进行，既有利于氢气和氧气和收集，同时，可以有效预防氢气和氧气混合队光催化剂的影响；(2)通过对光催化工作电极施加偏压，可以有效形成一个内部电场，大大提高光生电子空穴对的分离效率，让电子和空穴成功传输到工作电极和对电极表面和水分子反应产生氢气和氧气，从而提高了光电催化制氢气和氧气的转换效率。
尽管光电催化制氢气和氧气已经成为学术界的研究热点，但是市场上很少有适合光电催化测试的专业电解池，很多测试实验都是在简易的石英池或者普通石英烧杯完成，影响了实验结果的准确性和科学性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能光电化学测试装置，以解决现有测试装置实验误差较大、数据可靠性不足和功能单一的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种多功能光电化学测试装置，包括化学池组件、前密封盖组件和后密封盖组件，化学池组件用于容纳电解液，前密封盖组件用于对化学池组件前孔进行密封，后密封盖组件用于对化学池组件后孔进行密封。
所述化学池组件包括化学池壳体、第一圆孔、第二圆孔和化学池腔体，所述第一圆孔和第二圆孔设置在所述化学池壳体的侧壁上，分别用于安装Pt丝对电极和参比电极，化学池腔体用于盛放电解质以进行光电化学反应测试；所述化学池壳体的前端面和后端面均设有连通化学池腔体的圆孔；
所述前密封盖组件包括前密封盖和通光圆孔，前密封盖用于覆盖化学池腔体前端面的圆孔，前密封盖与化学池壳体之间形成用于安放导电玻璃工作电极或石英片的间隙，前密封盖的中间部分开有正对导电玻璃工作电极或石英片的通光圆孔；
所述后密封盖组件包括无孔密封盖和开孔密封盖，在进行导电玻璃工作电极光电化学反应测试时，无孔密封盖用于覆盖化学池腔体后端面的圆孔，前密封盖与化学池壳体之间的间隙用于安放导电玻璃工作电极，所述导电玻璃工作电极表面修饰有光电催化剂；在进行玻碳工作电极光电化学反应测试时，前密封盖与壳体之间的间隙用于安放石英片，并安装开孔密封盖，从其开孔处向化学池腔内放入玻碳工作电极，所述玻碳工作电极表面修饰有光电催化剂。
在本发明所述的多功能光电化学测试装置中，所述化学池腔体前端面圆孔上还覆盖有第一O型圈，前密封盖、导电玻璃工作电极或石英片依次覆盖在第一O型圈的上表面，并通过螺钉将其固定在化学池壳体前端面上，以保证前密封盖组件的密封性。
在本发明所述的多功能光电化学测试装置中，所述化学池腔体后端面圆孔上还覆盖有第二O型圈，无孔密封盖覆盖在第二O型圈上表面，并通过螺钉将其固定在化学池壳体后端面上，以保证后密封盖组件的密封性。
在本发明所述的多功能光电化学测试装置中，所述化学池壳体上还设有化学池矩形槽，用于向化学池腔体内注入电解质。
在本发明所述的多功能光电化学测试装置中，所述螺钉为内六角固定螺钉。
在本发明所述的多功能光电化学测试装置中，所述前密封盖、无孔密封盖、开孔密封盖和螺钉均采用聚四氟材料加工制作。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：通过采用本发明所述的光电化学测试装置，既可以用于导电玻璃或者类似的透明薄膜材料工作电极，又可用于修饰有光电催化剂的玻碳工作电极光电化学反应测试，解决了现有测试装置功能单一的不足；同时，本发明所述装置由于密封性好，并且可以有效控制工作电极每次受光面积保持不变，因此，可获得较为精确的实验数据，解决了现有测试装置实验结果准确性和科学性不足的缺陷。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明第一实施例的多功能光电化学测试装置示意图的正视图；
图2是本发明第一实施例的多功能光电化学测试装置示意图的俯视图；
图3是本发明第一实施例的多功能光电化学测试装置示意图的左视图；
图4是本发明第一实施例的多功能光电化学测试装置线性扫描伏安特性曲线测试结果图；
图5是本发明第二实施例的多功能光电化学测试装置示意图的正视图；
图6是本发明第二实施例的多功能光电化学测试装置示意图的俯视图；
图7是本发明第二实施例的多功能光电化学测试装置示意图的左视图；
图8是本发明第二实施例的多功能光电化学测试装置线性扫描伏安特性曲线测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1、图2、图3为本发明第一实施例的多功能光电化学测试装置示意图的正视图、俯视图和左视图。如图2和图3所示，本实施例中，内六角固定螺钉1将无孔密封盖2固定在化学池腔体9的后端面。前密封盖6、无孔密封盖2和内六角固定螺钉均采用聚四氟材料加工制作。
使用时，第一O型圈13贴在化学池腔体9前端面圆孔边沿，第二O型圈10贴在化学池腔体9后端面圆孔边沿。表面修饰有光电催化剂TiO2的透明导电玻璃工作电极11和前密封盖6依次覆盖在第一O型圈13上表面，同时用内六角固定螺钉7将其固定在化学池壳体3前端面上，然后将Pt丝对电极和参比电极依次安装在第一圆孔5和第二圆孔8上，并通过化学池矩形槽4向化学池腔体9加入3ml浓度为0.1MKOH电解质溶液。启动太阳光模拟器，使其可以利用通光圆孔14将光照射到修饰有光电催化剂TiO2的透明导电玻璃工作电极11表面，将透明导电玻璃工作电极11、Pt丝对电极和参比电极引线依次接在电化学工作站电极引脚上进行测试，最终得到线性扫描伏安特性曲线，如图4所示。
由图4的结果可知，在一个标准模拟太阳光谱下，表面修饰有光电催化剂的导电玻璃工作电极清晰地展示了较大的光电流密度，同时，在测试装置得到的暗态电流几乎为0，说明该光电催化剂具有优异的光电响应特性，因此，采用本发明所述的多功能光电化学测试装置，可获得较为精确的实验数据，解决了现有测试装置实验结果准确性和科学性不足的缺陷。
图5、图6、图7为本发明第二实施例的多功能光电化学测试装置示意图的正视图、俯视图和左视图。如图6和图7所示，本实施例中，第二O型圈10贴在化学池腔体9后端面圆孔边沿，此时，开孔密封盖17覆盖在第二O型圈10上表面。开孔密封盖17正中开有与玻碳工作电极直径相匹配的圆孔，通过该圆孔可以安装玻碳工作电极11，玻碳工作电极11将圆孔密封，防止电解质泄露出来。前密封盖6、开孔密封盖17和内六角固定螺钉均采用聚四氟材料加工制作。
使用时，将表面装饰有光电催化剂Au-TiO2的玻碳工作电极15穿过开孔密封盖17中的圆孔和第二O型圈10，与化学池9内的电解质接触，内六角固定螺钉16将开孔密封盖17固定在化学池腔体9后端面。本实施例中，第一O型圈13贴在化学池腔体9前端面圆孔边沿，石英片18和前密封盖6依次覆盖在第一O型圈13上表面，同时用内六角螺钉7将其固定在化学池壳体3前端面上，然后将Pt丝对电极和参比电极依次固定在第一圆孔5和第二圆孔8上，并通过化学池矩形槽4向化学池腔体9内加入3mL浓度为0.1M的KOH电解质溶液。启动太阳光模拟器，使其可以利用通光圆孔14、石英片18和化学池腔体9将光照射到修饰有光电催化剂Au-TiO2的玻碳工作电极15表面，将玻碳工作电极15、Pt丝对电极和参比电极引线依次接在电化学工作站电极引脚上进行测试，最终得到线性扫描伏安特性曲线，如图8所示。
由图8的结果可知，采用本发明所述的多功能光电化学测试装置，与暗态下电流几乎为0相比，在一个标准模拟太阳光谱下，表面修饰有光电催化剂的玻碳工作电极清晰地展示了有效的光电流密度，同时，说明了该光电催化剂具有良好的光电响应特性，因此，采用本发明所述的多功能光电化学测试装置，可以实现并得到获得较为精确的实验数据；解决了现有测试装置实验结果准确性和科学性不足的缺陷。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多功能光电化学测试装置，包括化学池组件、前密封盖组件和后密封盖组件，化学池组件用于容纳电解液，前密封盖组件用于对化学池组件前孔进行密封，后密封盖组件用于对化学池组件后孔进行密封，其特征在于，
所述化学池组件包括化学池壳体(3)、第一圆孔(5)、第二圆孔(8)和化学池腔体(9)，所述第一圆孔(5)和第二圆孔(8)设置在所述化学池壳体(3)的侧壁上，分别用于安装Pt丝对电极和参比电极，化学池腔体(9)用于盛放电解质以进行光电化学反应测试；所述化学池壳体(3)的前端面和后端面均设有连通化学池腔体(9)的圆孔；
所述前密封盖组件包括前密封盖(6)和通光圆孔(14)，前密封盖(6)用于覆盖化学池腔体(9)前端面的圆孔，前密封盖(6)与化学池壳体(3)之间形成用于安放导电玻璃工作电极(11)或石英片(18)的间隙，前密封盖(6)的中间部分开有正对导电玻璃工作电极(11)或石英片(18)的通光圆孔(14)；
所述后密封盖组件为无孔密封盖(2)或开孔密封盖(17)，在进行导电玻璃工作电极光电化学反应测试时，无孔密封盖(2)用于覆盖化学池腔体(9)后端面的圆孔，前密封盖(6)与化学池壳体(3)之间的间隙用于安放导电玻璃工作电极(11)，所述导电玻璃工作电极(11)表面修饰有光电催化剂；在进行玻碳工作电极光电化学反应测试时，前密封盖(6)与化学池壳体(3)之间的间隙用于安放石英片(18)，并安装开孔密封盖(17)，从其开孔处向化学池腔体(9)内放入玻碳工作电极(15)，所述玻碳工作电极(15)表面修饰有光电催化剂。
2.如权利要求1所述的多功能光电化学测试装置，其特征在于，所述化学池腔体(9)前端面圆孔上还覆盖有第一O型圈(13)，前密封盖(6)、导电玻璃工作电极(11)或石英片(18)依次覆盖在第一O型圈(13)的上表面，并通过螺钉将其固定在化学池壳体(3)前端面上，以保证前密封盖组件的密封性。
3.如权利要求1或2所述的多功能光电化学测试装置，其特征在于，所述化学池腔体(9)后端面圆孔上还覆盖有第二O型圈(10)，无孔密封盖(2)覆盖在第二O型圈(10)上表面，并通过螺钉将其固定在化学池壳体(3)后端面上，以保证后密封盖组件的密封性。
4.如权利要求3所述的多功能光电化学测试装置，其特征在于，所述化学池壳体(3)上还设有化学池矩形槽(4)，用于向化学池腔体(9)内注入电解质。
5.如权利要求4所述的多功能光电化学测试装置，其特征在于，所述螺钉为内六角固定螺钉。
6.如权利要求5所述的多功能光电化学测试装置，其特征在于，所述前密封盖(6)、无孔密封盖(2)、开孔密封盖(17)和螺钉均采用聚四氟材料加工制作。
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