多通道电化学测试工作电极以及电解池配套装置的制作方法

本实用新型涉及一种多通道电化学测试工作电极以及电解池配套装置，应用于电化学测试和电极材料筛选领域。

背景技术：

电化学测试的三电极体系的搭建方法和三电极体系下的电化学测试方法在领域内已知。

随着材料基因组计划的提出，对材料进行高通量设计、组合制备和高通量检测筛选提出了新的要求。在电极材料研究现状中，使用计算材料学的方法以及对材料显微结构的规律的总结，可以实现对电极材料进行高通量设计。在制备方法上使用掩模物理气相沉积法等方法，可以实现对材料的组合制备得到材料阵列。但在测试领域，目前对电极材料的测试和筛选最广泛采用的依然是单通道测试方法，构建三电极体系，这种测试筛选方法一次只能测试一种电极材料，且电极样品制备过程复杂，效率低下，严重制约了先进材料的研发和筛选速度，提高了研发成本。因而需要设计合适的可应用于组合技术的多通道电化学测试工作电极及相应的电解池，以满足对材料进行高效筛选的要求。

在文献“Combinatorial screening of fuel cell cathode catalyst compositions”（Appl. Surface Sci., 2007, 254, 662）中提出了一种可应用于组合技术进行燃料电池阴极电催化材料筛选的工作电极装置和电解池设计，使用磁控溅射技术，在氮化钛层上沉积合金材料，可以制备包含76种材料的阵列，但是其采用光刻蚀技术，制备成本较高。在氮化钛层上沉积合金薄层，薄层难以洗去或擦出，氮化钛层紧密连接在硅基板上，整个电极没有重复利用性，提高了使用成本，造成材料浪费。并且工作电极放置在电解池下部，存在一定密封问题和漏液风险。美国Scriber公司推出了Model MMA 900|910型多通道电化学工作站，可以对材料进行高通量测试筛选，但是其配套的工作电极面积过小，材料难以进行组合合成，使用不便，这严重制约了材料制备测试效率。

需要提供一种应用于高通量组合检测的工作电极，成本较低且具有一定重复利用性。并可解决密封问题。

需要提供一种工作电极和电化学工作站连接的多通道连接装置。

需要提供一种可以应用于组合检测的电解池，可以承载多通道电化学测试工作电极，并能解决由于体系尺寸变大而造成的溶液电阻过大等问题。

技术实现要素：

为了解决现在广泛应用的单通道电化学测试工作电极导致测试筛选效率低下的问题，以及已有的多通道电化学测试工作电极设计造成的成本较高，使用不便的问题，本实用新型设计了一种多通道电化学测试工作电极以及电解池配套装置，具备如下结构：

多通道电化学测试工作电极，其包括：具有M×N的贯穿孔阵列的支架，以及镶嵌在所述贯穿孔中的测试电极；

连接装置，其包括具有放置导电弹簧的M×N个孔的扣盖；

电解池，其包括支撑所述多通道电化学测试工作电极的支撑圆环，底端放置有对电极，所述支撑圆环上含多个用以放置多个参比电极的参比电极预留孔，以及用以引出所述对电极的导线的对电极预留孔；

所述测试电极的一端涂敷有电极材料，另一端与所述连接装置中的所述导电弹簧接触；

所述多通道电化学测试工作电极、参比电极、对电极分别与提供极化电流或极化电压的电化学工作站相连接以进行电化学测试。

优选地，所述多通道电化学测试工作电极的所述支架上具有用于定位的定位凹槽，

所述连接装置具有与所述定位凹槽匹配定位的定位点。

较佳为，所述多通道电化学测试工作电极中的支架为陶瓷片，所述测试电极为石墨棒。

优选地，所述连接装置中的所述扣盖的材质为聚四氟乙烯，

所述导电弹簧通过导线与所述电化学工作站连接。

优选地，所述对电极为石墨片。

优选地，所述电解池材质为玻璃。

较佳为，所述M×N小于200。

附图说明

图1a-1c是多通道电化学测试工作电极组装后三视图，1a为主视图，1b为右视图，1c为俯视图。

图2a-2c是连接装置三视图，2a为主视图，2b为右视图，2c为俯视图。

图3a-3c是连接装置和多通道电化学测试工作电极组装后三视图, 3a为主视图，3b为右视图，3c为俯视图。

图4a-4c是应用于多通道电化学测试工作电极的电解池结构示意图，其中4a为主视图，4b为右视剖视图，4c为俯视图。

图5是使用一个参比电极的电解池部分等效电路。

图6是使用四个参比电极的电解池部分等效电路。

图7是工作电极和电解池工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施形态对本实用新型进行进一步说明。

如图1a-1c所示，本实用新型工作电极阵列包括支架①和测试电极②，本实施形态中，支架①为多孔陶瓷片，测试电极②为工作电极，本实施例中为石墨棒，即采用多孔陶瓷片镶嵌固定石墨棒作为工作电极阵列。

具体而言，图1a-1c是多通道电化学测试工作电极组装后三视图，1a为主视图，1b为右视图，1c为俯视图。各部件的尺寸参数参见附图。陶瓷片可包含例如10×10的贯穿孔阵列，作为工作电极阵列支架。选取石墨棒作为工作电极，镶嵌固定在贯穿孔中，石墨棒一端用于涂敷电极材料，另一端用于与连接装置接触，100个石墨棒工作电极阵列达到多通道测试筛选的目的。在进行完一次测试后，石墨棒顶端的电极材料可以通过打磨除去，达到装置重复利用的目的。陶瓷片上的定位凹槽③用于定位。陶瓷片采用耐高温、耐酸碱腐蚀材料制作（优选采用氧化铝陶瓷），石墨棒镶嵌在陶瓷片的贯穿孔中。石墨棒A面一端用于涂敷电极材料，可以使用组合的物理气相沉积或非组合的人工滴加电极粉体材料墨水的方法。石墨棒B面一端用于与图2a-2c所示连接装置的导电弹簧相接触。这一设计方便对材料进行组合的制备与处理。在使用完成后对石墨棒进行打磨可以去除表面的电催化材料，实现电极的重复利用。石墨棒直径Φc根据组合磁控溅射掩模大小或滴加墨水的滴管大小而定，本次采用直径3mm石墨棒，陶瓷片直径Φa根据石墨棒直径和数量而定，本次采用80mm。

图2a-2c所示，是一种用于连接工作电极和电化学工作站的连接装置，2a为主视图，2b为右视图，2c为俯视图。其包括多孔扣盖21（优选为采用聚四氟乙烯制作，亦可采用其他耐酸碱腐蚀材料）和连接导线的导电弹簧22。具体而言，本实施形态中连接装置使用多孔聚四氟乙烯圆柱体扣盖21内嵌连接导线的导电弹簧22。扣盖21可包含10×10的孔阵列，石墨棒用于连接连接装置，一端可插入10×10的孔阵列与导电弹簧22接触，通过导线与电化学工作站连接。凹槽23用于放置所述多通道电化学测试工作电极中陶瓷片，定位点24用于与所述多通道电化学测试工作电极的定位凹槽③匹配定位，圆孔25用于放置连接导线的导电弹簧22，并插入有所述多通道电化学测试工作电极的石墨棒B面一端，贯穿孔26用于引出连接导线的导电弹簧22的导线。扣盖直径Φb根据陶瓷片直径Φa而定，本次采用90mm。

图3a-3c是连接装置和多通道电化学测试工作电极组装后三视图, 3a为主视图，3b为右视图，3c为俯视图。多孔陶瓷片31嵌入扣盖21的凹槽23中，定位凹槽③与定位点24匹配定位，多通道电化学测试工作电极的石墨棒A端33用于涂敷电极材料，石墨棒B端34插入扣盖21圆孔中与连接导线的导电弹簧相接触，连接导线的导电弹簧22外接电化学工作站。

本实施形态中的电解池是在玻璃圆柱形杯子上部添加一个支撑圆环，用于支撑工作电极阵列，杯子底端放置一石墨片作为对电极，支撑圆环上含多个贯穿孔，其中，参比电极预留孔用于放置多个参比电极，对电极预留孔引出石墨片对电极的导线。通过放置多个参比电极，减轻了溶液电阻的影响。

详细地，图4a-4c所示，是应用于多通道电化学测试工作电极的电解池结构示意图，其中4a为主视图，4b为右视剖视图，4c为俯视图，其包括溶液杯41、作为支撑圆环的法兰盘42参比电极预留孔43、对电极预留孔44。该实施例中设置了四个参比电极预留孔43用于放置参比电极，参见后述，其可以降低溶液电阻的影响。溶液杯底部用于放置一个石墨片对电极，对电极预留孔44用于引出对电极连接导线。

具体而言，图5及图6是电解池部分等效电路，用于说明使用多个参比电极降低溶液电阻的影响。其中图5是使用一个参比电极的电解池等效电路，图6是使用四个参比电极的电解池等效电路。其中，a是工作电极，使用电阻替代表示， b、c是参比电极，使用一恒定极化电源表示，在实际体系中参比电极提供稳定电位而内部几乎不通过电流，因而可用一不提供电流的极化电源表示，d、e是溶液电阻，用定值电阻R表示，f是电压表，用于测量工作电极与参比电极之间的电位差。当温度、电解质溶液浓度、溶液截面积、两测试点间距离、测试点间电压等因素确定时，溶液电导率唯一确定。如图6所示，当使用四个参比电极时，根据等效电路，各参比电极并联连接，相应的电解质溶液中工作电极和参比电极之间的溶液电阻也并联连接，则工作电极和参比电极间溶液电阻由图5中的R变为图6中R/4。因而可有效降低溶液电阻的影响。一般来说，参比电极设置越多，对溶液电阻的消除有利，对于不大的体系，4个参比电极足以消除溶液电阻的影响。

图7所示，是多通道电化学测试工作电极和连接装置以及电解池使用示意图。溶液杯41中盛有电化学测试用电解液，液面高度紧贴法兰盘42的下表面，上述图3a-3c所示安装好的多通道电化学测试工作电极和连接装置的组合体72放置在电解池的法兰盘42上。涂敷有电极材料的石墨棒74伸入溶液液面之下，在四个参比电极预留孔43中分别放入四个参比电极76，溶液杯底部放置石墨片对电极77并通过导线从对电极预留孔44中引出，多通道电化学测试工作电极、参比电极、对电极分别连接至电化学工作站，进行电化学测试。工作时，由电化学工作站提供极化电流或极化电压，通过导线施加至工作电极阵列，完成对100个石墨棒工作单元的顺序扫描测试，反馈响应电信号传输至电化学工作站，完成测试。

本实施形态中以100个（10×10）石墨棒为例进行了说明，但也可以是M×N个石墨棒（工作电极），只要组成上述电极阵列，M×N一般小于200即可

本实施形态包含M×N（例如100个）测试电极（工作电极）组成的阵列，测试效率高。工作电极使用石墨棒，成本较低且易于重复利用。电解池可以有效承载多通道电化学测试工作电极，且可解决由于溶液体积过大导致的溶液电阻过高的问题。

在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。