电化学性能检测系统和光电化学性能检测系统的制作方法

本发明属于电化学和光电化学检测领域，尤其涉及一种电化学性能检测系统和一种光电化学性能检测系统。

背景技术：

随着地球上石油、天然气和煤炭等化石资源的日渐枯竭，人类不断探索新型清洁能源的开发和利用。在新能源领域中，氢能以其在自然界中储量丰富，广泛地存在于水、矿物燃料和各类碳水化合物中，并且燃烧后只生成水的特性，被普遍认为是一种非常理想的新型清洁能源。然而传统的制氢方法要消耗巨大的常规能源，因此限制了氢能的使用。自上个世纪70年代，日本科学家Fujishima和Honda发现了以光催化材料作为媒介，利用取之不尽的太阳能来分解水而制备氢气和氧气的光催化技术，随之极大地促进了氢能源的开发和应用。伴随新能源新材料科技的发展，科学家将电化学原理与光照进行结合来共同催化和分解水而制备氢气和氧气，简称光电催化(PEC)。这一技术将产氢气和氧气分别在反应体系的工作电极和对电极上进行，有利于气体收集。同时通过施加外部偏压而形成内部电场，极大地提高了光生电子与空穴的分离效率。因此，光电催化技术逐渐在太阳能利用、环境保护和新型功能材料领域发挥起越来越大的作用。光催化剂种类繁多，不同材料的性能具有明显差异，如何快速而便捷地评价和筛选出性能优异并适合不同需求的催化剂逐渐成为研究热点。与此同时，电催化技术即通过太阳光伏发电结合电催化裂解水制氢的技术也获得广泛关注，与光电催化一样成为太阳能制氢的一个有效手段。而目前裂解水的最有效的电极材料是铂电极，但是铂电极的成本极为高昂，不是一种理想的工业化电极材料。所以开发廉价而且有效的裂解水的催化电极材料的研发也是清洁能源领域的重点之一。

1970年，Hanak首先提出“多样品实验”的概念，基本思想是通过一次实验合成完整覆盖多组分材料体系中不同成分组合的样品阵列，随后利用高效分析测试手段快速获取阵列中各样品的成分、结构以及性能数据，最后再通过计算机进行数据处理从而筛选出最优组合。2011年6月，美国总统巴拉克·奥巴马在卡耐基·梅隆大学的演讲中宣布实施“先进制造业伙伴关系”计划，材料基因组计划是其中的一个重要部分，其总体目标是：“将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高一倍”。这一计划的实现主要通过构建计算工具平台、实验工具平台和数据库及信息平台。

评价薄膜催化电极的性能主要是通过构建光催化以及电催化反应平台。目前市场单点的电催化以及光催化的化学反应池有很多种，也比较成熟。但是单个反应池的缺点是当有不止一个样品的时候，每个样品的测试都需要安装，固定、加液、设置电化学扫描的参数、手动斩波、手动设置单色光进行IPCE(入射光转化为光电子的量子效率)测试等等，过程繁琐而漫长。目前市场上还没有可以进行批量测试的光电催化(电催化)评价装置，评价批量样品将是极为繁重的科研任务。尤其是高通量制备技术的发展，往往是几十个上百个样品的表征，人工重复表征多量样品的时候经常会因为疲倦而导致操作失误等等。

技术实现要素：

目前评价和筛选催化剂的性能主要是通过构建光电催化和/或电催化实验平台，而通过结合材料基因组计划的“组合实验”思想，搭建具有集成自动化的高通量光电催化以及电催化的实验平台，将会更好地实现快速便捷地筛选和评价性能优异的催化剂材料。但是在高通量自动化过程中，首先要解决的问题是电解液的流入和流出，以及电化学池在样品上的定位如何避免电解液的泄露。

本发明为了解决该问题，提出了一种电化学性能检测系统，包括工作站和液体传输部件；工作站包括电化学池，电化学池上设置有弹性元件、第一通孔和第二通孔；弹性元件的伸缩方向与第一通孔的开口方向一致；第一通孔上设置有密封圈；第二通孔通过液体输送管道与液体传输部件连接，使得液体能够从第二通孔流入和/或流出电化学池。

进一步地，弹性元件是弹簧。

进一步地，密封圈为O型密封圈。

在一个具体实施方式中，第一通孔设置在电化学池的底部。尤其是电化学池的底部为锥形，第一通孔位于该锥形的尖部。

在另一个具体实施方式中，第一通孔设置在电化学池的侧壁上。尤其是设置有第一通孔的电化学池的侧壁为锥形，第一通孔位于该锥形的尖部。

进一步地，工作站还包括样品台；样品台包括工作单元，工作单元上设置有导电板和样品床；样品床的床头朝向导电板；样品床的个数是1个或者多个。

进一步地，导电板是导电铜板。

进一步地，工作单元的数量是1个或者多个。优选地，工作单元的数量是1-10个；样品床的个数是3-10个。

进一步地，导电板的个数是多个，且通过电线将多个导电板串联；导电板的水平高度高于样品床；样品床除床头外其周围设置有沟渠；

工作站还包括电极装置和输气装置；电极装置包括对电极和参比电极；输气装置上的输气管的出气口设置在电化学池内。

进一步地，还包括稳压器；导电板、对电极和参比电极均与稳压器通过电线连接。

进一步地，导电板的个数等于工作单元的个数。

在一个具体实施方式中，对电极和参比电极设置在上述电化学池内。

在另一个具体实施方式中，电化学池包括依次连接的第一电解池、盐桥和第二电解池，呈H字型或者n字型；对电极和参比电极设置在第一电解池内；第一通孔设置在第二电解池内。进一步地，盐桥是砂芯。

进一步地，还包括制动部件；制动部件与工作站连接，使得电化学池能够相对于样品台在三维方向上进行运动。

在一个具体实施方式中，制动部件与电化学池连接，通过制动部件牵动电化学池的运动，使得电化学池能够相对于样品台在三维方向上进行运动。

在另一个具体实施方式中，制动部件与样品台连接，通过制动部件牵动样品台的运动，使得电化学池能够相对于样品台在三维方向上进行运动。

进一步地，电化学性能检测系统，还包括控制部件，控制部件包括处理器和存储器；处理器中加载有系统软件、信息采集系统和分析系统；控制部件与工作站、液体传输部件和制动部件均耦合；系统软件全盘控制电化学性能检测系统，使得电化学性能检测系统的各组成部分协同自动化测试样品的电化学性能；信息采集系统被设置为采集信号，信号包括电流信号、光强和曝光样品面积；分析系统被设置为能够对光电催化性能和/或电催化性能进行表征，表征包括斩波循环伏安j-V曲线、偏压下的电流时间曲线、IPCE和阻抗分析；存储器被设置为存储数据。

进一步地，控制部件与工作站、液体传输部件和制动部件均通过数据线连接。

进一步地，系统软件是LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)或者其他软件。系统软件随使用的电化学性能检测系统而不同，可以进行其他的电化学测试。

本发明还提供一种光电化学性能检测系统，该系统包括如上所述的电化学性能检测系统和光源部件；光源部件包括光束传导元件；光束传导元件被设置为伸入电化学池，并使得其所传导的光束通过第一通孔照射在样品上。

进一步地，光源部件还包括斩波器。

在一个具体实施方式中，光源部件是太阳光模拟器。

在另一个具体实施方式中，光束传导元件包括聚光透镜组件，通过聚光透镜组件将光源发出的光线平行照射到样品上。

在又一个具体实施方式中，光源部件还包括与光束传导元件连接的发光元件；光束传导元件包括玻璃管和位于玻璃管中的光导纤维。其中，玻璃管是石英玻璃管。

在一个具体实施方式中，发光元件包括氙灯，斩波器位于氙灯的出口。

在另一个具体实施方式中，发光元件氙灯和单色仪，氙灯与单色仪连接，单色仪再与光束传导元件连接。斩波器位于单色仪的出口。

进一步地，系统软件全盘控制光电化学性能检测系统，使得光电化学性能检测系统的各组成部分协同自动化测试样品的光电化学性能和/或电化学性能。

有益效果：

1、弹性元件有利于调整电化学池与样品接触时(即电化学池在样品上定位时)产生的压力大小，压力过大会压碎样品，压力过小会导致接触不够紧密发生电解液泄露。密封圈的设置同样有利于避免电解液的泄露。

2、第一通孔设置在电化学池的底部，有利于将样品置于样品台时，样品台水平放置；而第一通孔设置在电化学池的侧壁上，有利于将样品置于样品台时，样品台垂直放置。

3、导电板的水平高度高于样品床；样品床除床头外其周围设置有沟渠。这有利于一旦发生电解液泄露到样品台时，沟渠能够及时排出电解液，同时避免电解液与导电板的接触。

4、本发明一次检测的样品的数量可以达到工作单元个数乘以样品床个数，比如两者均为10时，那么可以达到100个样品的自动化检测。

5、串联的导电板有利于给样品进行统一供电使得每个样品的实验条件一致。

本发明通过工作站、制动部件、液体传输部件、光源部件和控制部件的设计得到了一种可以满足材料光电催化和/或电催化性能测试的集成可控光源、气氛保护、自动冲放液、自动移位、自动电化学扫描的系统。控制部件中的分析系统根据收集到的电流信号以及光强和曝光样品面积，自动换算成单位光强下单位面积的电流。

设计了一种可以满足以上高通量测试要求的集成软件——系统软件，该系统软件实现对斩波器、单色光波长、白光、气氛保护、自动冲放液、自动移位、自动电化学扫描等配件仪器的自动控制和协同控制。

目前还没有自动化的光电催化和/或电催化表征技术，传统的电化学或者光电化学表征一次表征一个样品，全部手工操作。本发明大大解放人力，使用自动化的手段取代人工，而且极大避免了人工操作引起的失误，更加可靠和稳定。目前有其他的自动化测试，比如pH值测试等等，但是除了制动部件对工作站进行三维方向的控制外，其他设计理念、功能、以及数据处理方式完全不同。

以下结合附图和实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种光电化学性能检测系统的结构示意图。

图2是一个具体实施方式中的电化学池的结构示意图。

图3是图2的电化学池的俯视图。

图4是图2的电化学池的仰视图。

图5是一个具体实施方式中的工作站的结构示意图。

图6是一个具体实施方式中的样品单元的结构示意图。

图7是一个具体实施方式中得到的斩波光电流与施加电压的曲线图。

图8是本发明的一种光电化学性能检测系统的模块框图。

具体实施方式

实施例1

图1示出了根据本发明所述的一种光电化学性能检测系统的优选实施例。在本实施例中，光电化学性能检测系统包括工作站1、制动部件2、液体传输部件3、光源部件4、稳压器5和控制部件9。工作站1包括电化学池、样品台12、电极装置和输气装置。

图2-4示出了，其中电化学池的优选实施例。该电化学池上设置有弹性元件、第一通孔111和第二通孔。电化学池的底部呈圆锥形，第一通孔111位于该圆锥形底部的尖部。第一通孔111上设置有密封圈113。弹性元件设置在电化学池的顶部，其伸缩方向与第一通孔111的开口方向一致，这里为上下方向。在本实施例中，电化学池的主要结构为圆筒形玻璃容器与上下两个聚四氟乙烯配件通过螺纹固定连接而成。电化学池的直径是30-90mm，高度是30-90mm。弹性元件是弹簧，也可以是其他具有弹性的结构。密封圈是O型密封圈，也可以是其他能起到密封效果的结构。第一通孔111的孔径为4-10mm。一旦电化学池接触到样品台12上的样品6后，电化学池开始通过弹簧的对样品6施加一定的压力。弹簧的存在有利于调整压力，既避免了压力过大压碎样品6，又避免了压力过小导致电化学池与样品6之间密封不严产生漏液。

第二通孔通过液体输送管道31与液体传输部件3连接，使得液体能够从第二通孔流入和/或流出电化学池。在本实施例中，液体传输部件3为蠕动泵。蠕动泵能够将容器7中的电解液泵入电化学池。

图5和6示出了，其中工作站1和样品单元的优选实施例。样品台12包含8个工作单元121。工作单元121可任意拼装和拆卸。每个工作单元121上设置有1块导电板1211和8张样品床1212。样品床用于放置样品6。因此在本实施例中可以一次性自动化检测8×8，即64个样品，即64个样品。各导电板1211通过电线串联。导电板1211的水平高度高于样品床1212。样品床1212呈长方形或者正方形，其床头12121朝向导电板1211。样品床1212除床头12121外其它三边都刻有沟渠1213，以利于漏液及时排出。在本实施例中，导电板1211的水平高度比样品床1212高出3.0mm。沟渠1213的宽度为2.0mm。导电板1211是导电铜板。导电胶带8是导电铜胶带。导电铜板的宽度10-30mm。工作单元121的材料主要是聚四氟乙烯。

检测时将样品放在样品床1212上，使用导电胶带8将样品与导电板1211连接从而使得样品带电，成为工作电极。每个样品的尺寸不超过4cm×5cm。大于这个尺寸的大样品可以将样品台12倒置，再将样品固定在样品台12上进行测试。

电极装置包括对电极131和参比电极132。对电极131和参比电极132插入电化学池内。在本实施例中，对电极131是铂网对电极。参比电极132是Ag/AgCl参比电极。

输气装置上的输气管141的出气口也设置在电化学池内。

制动部件2与电化学池通过锚定抓手21连接，通过制动部件2牵动电化学池的运动，使得电化学池能够相对于样品台12在三维方向上进行运动。三维方向指坐标轴上的X、Y和Z三维度的方向。

光源部件4包括光束传导元件41和与光束传导元件连接的发光元件；光束传导元件41插入电化学池，并使得其所传导的光束通过第一通孔111照射在样品上。光束传导元件包括玻璃管411和位于玻璃管411中的光导纤维412，如图2所示。在本实施例中，玻璃管411是石英玻璃管。发光元件包括1kw氙灯43和单色仪42。

样品台12(尤其是其上的导电板)、对电极131和参比电极132均与稳压器5通过电线连接。

控制部件9包括处理器和存储器；处理器中加载有系统软件、信息采集系统和分析系统。图8示出了控制部件9与工作站1、制动部件2、液体传输部件3和光源部件4的关系，即控制部件9通过与工作站1、制动部件2、液体传输部件3和光源部件4电连接(有线连接和/或无线连接)，从而全盘控制光电化学性能检测系统的运行，实现高通量自动化的对样品6进行光电化学性能检测和/或电化学性能检测、相关信息采集、分析和储存。控制部件9相当于光电化学性能检测系统的“大脑”，因此需要与接受其控制的各种部件耦合以达到命令下达的目的。而工作站1相当于其他各部件的作业对象，因此也需要与那些部件耦合以接受它们的作业。控制部件9的工作方式是：通过系统软件全盘控制光电化学性能检测系统的运行，通过信息采集系统获取与之耦合的其他部件反馈的信息，通过分析系统分析所采集的信息，通过存储器存储采集的信息和分析结果。

自动化检测样品的过程：

步骤100：将所有待测的样品6(如TiO₂薄膜)放置在样品床1212上，使用导电胶带8将样品6连接到导电板1211上。再使用特氟龙胶带将导电胶带8覆盖起来以避免导电胶带8与可能的腐蚀性漏液接触引发腐蚀电流，干扰电化学信号。

步骤200：打开1kw氙灯43和单色仪42的开关，测试光强。在容器7中加入约500mL的电解液。在系统软件中设置检测程序，该检测程序包括设置样品位置以及需要的扫描模式，比如使用分析系统中的斩波模式的白光j-V曲线进行快速扫描表征。

步骤200包括以下步骤：

步骤210：在检测程序中继续设置：电电化学扫描的速率(如50mV/S)以及电压范围(如-0.5-1.0V vs.Ag/AgCl)。设置斩波频率，通常每秒1下。根据样品的总数，设置扫描的范围，比如从第一列第一个到第二列第三个，等等。

步骤220：运行程序，从第一个样品开始进行逐点扫描表征，每个样品的步骤包括通过制动部件2将电化学池定位到与样品6的表面接触；通过液体传输部件3向电化学池中注入电解液；通过输气装置开始向电化学池中气体(比如：氮气)鼓泡；开启斩波器；通过工作站1开始电化学扫描；信息采集系统采集电化学信号，存储器记录电化学信号；结束电化学测试；关闭斩波器；抽出电解液；升起电化学池，移位到下一个样品6。扫描的结果自动存储到存储器中，并生产以日期以及样品坐标为题目的数据文件。其中，电化学扫描的扫描电压速度以及电压范围可根据需要在工作站中进行调整，同时存储器记录斩波情况下的光电流，通过分析系统得到如图5所示的曲线图；接下来进行IPCE测试，通过对单色仪42的控制，输出不同波长的单色光，同时存储器记录该波长下的光电流；IPCE扫描结束后可以进行长时间的i-t曲线扫描，时间以及施加偏压可以根据需要进行调整。这些光强需要在实验前或者实验后进行校验。所得到的光电流数值自动保存并根据接触的样品表面积进行换算，计算成mA/cm²的模式。以上的不同电化学测试可以根据需要选择全部或者一部分测试。比如需要快速筛选的话只需要测试j-V曲线即可。j-V曲线、偏压下的电流时间曲线、IPCE和阻抗分析等均通过分析系统实现。

步骤230：在下一个样品6的方位降下电化学池，开始重复步骤220的操作。直到全部样品6表征完毕。

步骤300：自动清洗电化学池，全部实验结束。

步骤300具体包括以下步骤：

步骤310：在最后一个样品6扫描结束以后，关闭斩波器，抽干电解液。

步骤320：从另一个管道通过蠕动泵3注入新鲜去离子水冲洗电化学池内部，再抽去，重复冲洗三次后升起电化学池，回到电化学池的原点位置。

步骤330：全部实验结束，关闭1kw氙灯43和单色仪42。

实施例2

本实施例中，第一通孔设置在电化学池的侧壁上。且设置有该第一通孔的电化学池的侧壁为锥形，该第一通孔位于该锥形的尖部。因此本实施例中样品台可以设置为垂直放置，使得样品台中的样品与第一通孔对接。其余与实施例1同。

实施例3

本实施例中，电化学池包括依次连接的第一电解池、盐桥和第二电解池，呈H字型或者n字型；对电极和参比电极设置在第一电解池内；第一通孔设置在第二电解池内。盐桥是砂芯。第二通孔和输气装置上的输气管设置在第一电解池或第二电解池均可。其余与实施例1同。

实施例4

本实施例中，制动部件与样品台连接，通过制动部件牵动样品台的运动，使得电化学池能够相对于样品台在三维方向上进行运动。其余与实施例1同。

实施例5

本实施例中，光源部件4是太阳光模拟器。通过太阳光模拟器将光线照射到样品上。其余与实施例1同。

实施例6

本实施例中，光束传导元件包括聚光透镜组件，通过聚光透镜组件将光源发出的光线平行照射到样品上。其余与实施例1同。

实施例7

本实施例涉及电化学性能检测系统，其除了不包括光源部件4，以及由光源部件4产生的功能外，其余与实施例1-6中任一例同。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。