一种同步辐射原位测试装置的制作方法

本发明涉及用于研究储氢材料的吸放氢机理的装置，更具体地涉及一种同步辐射原位测试装置。

背景技术：

研究开发高容量的新型储氢材料对推动氢能的大规模应用具有重要意义。Mg(BH₄)₂配位氢化物是一种极具应用潜力的高容量储氢材料，推动其实际应用的核心问题就是全面改善其可逆吸放氢反应动力学性能。催化改性是有效降低放氢温度、改善配位氢化物吸放氢动力学性能的一个重要手段。因此，探明Mg(BH₄)₂体系的催化改性机理是突破其储氢实际应用的关键。目前的研究均表明催化剂的掺杂可有效加速放氢过程，提高放氢反应的动力学性能。掺杂纳米颗粒的尺寸越小、无序度越高，其催化改性效果越好。由于常规实验室结构分析方法无法对非晶态催化剂及其反应过程中生成的非晶态中间产物进行精细结构检测，无法直接而又真实的表征非晶态添加剂在放氢反应过程中的结构及化学态的变化，因此无法从根本上解释掺杂所导致的催化改性的机理。

利用同步辐射X射线吸收精细结构(X-ray Absorption Fine Structure，XAFS)技术对各类配位氢化物的催化改性机理的原位研究是近年来新型储氢材料改性领域的一个重要研究趋势。同步辐射技术相较于常规实验室测试技术而言，更为重要的就是可以对催化材料在反应过程中的晶体、原子及电子结构变化进行原位、动态的表征研究，为储氢材料催化改性机理研究提供全方位而又立体的研究手段，从而为指导定向设计和制备高效的储氢材料催化剂提供理论指导。Chaudhuri等(S.Chaudhuri,et al.,J.Am.Chem.Soc,2006,128:11404-11415)通过对NaAlH₄储氢材料吸氢过程中Ti基催化剂的EXAFS研究，提出了Ti催化剂加速NaAlH₄吸氢过程的交互作用模式。Minerlla等(C.B.Minella,et al.,J.Phys.Chem.C,2013,117:4394-4403)通过XANES研究了Ti-及Nb基催化添加剂在Ca(BH₄)₂配位氢化物中的化学态变化规律。而国内大连化物所的陈萍课题组(X.L.Zhang,et al.,Energy Environ.Sci..2011,4:3593-3600；J.P.Guo,et al.,Angew.Chem.Int.Ed..2015,54:2950-2954)一直在利用XAFS技术研究各种过渡金属基催化剂对硼氢化锂氨合物及亚氨基锂储氢材料的催化改性机理。浙江大学的刘永锋课题组(Y.Zhang,et al.,Int.J Hydrogen Energy,2013,38:13318-13327；Y.Zhang,et al.,Dalton Trans.,2015,44:14514-14522)通过少量掺杂CoO催化剂有效降低了Li-B-N-H基复合体系的放氢温度，并利用XAFS技术深入研究了CoO催化剂在Li-B-N-H基储氢材料中的作用机理。

由此可见，利用同步辐射表征技术对储氢材料放氢过程中催化组元的微观结构演变过程进行原位检测对研究非晶态过渡金属催化剂对Mg(BH₄)₂储氢体系催化作用机理的研究具有无法替代的作用。但是，目前现有技术中并没有相应的同步辐射原位测试装置能够用来对Mg(BH₄)₂储氢体系催化作用机理进行研究。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种同步辐射原位测试装置，其能够原位表征Mg(BH₄)₂储氢体系在催化过程中的结构变化，为原位研究储氢体系催化剂催化机理提供技术支撑。

本发明所述的同步辐射原位测试装置，包括视窗法兰、腔体组件、加热组件和抽换气法兰；该腔体组件包括顶端法兰、不锈钢管、腔体管、侧壁法兰和两端板，顶端法兰和侧壁法兰分别通过不锈钢管连接于该腔体管，加热组件通过该顶端法兰支撑和固定，而抽换气法兰通过该侧壁法兰支撑和固定，两端板设置有第一射线窗口并直接固定于腔体管的两端，视窗法兰通过端板支撑和固定；该加热组件包括航插、顶盖法兰、加热管、样品台、样品座、加热法兰和吊杆，顶盖法兰与顶端法兰固定连接，顶盖法兰的顶面设置有航插，顶盖法兰的底面设置有加热法兰，该加热法兰通过吊杆将样品台悬挂固定于顶盖法兰的下方，样品台上设置有热电偶，该热电偶通过加热管与航插连接，样品台上固定有用于安装样品的样品座，该样品座具有第二射线窗口，样品的中心、第一射线窗口的中心和第二射线窗口的中心对齐。

腔体管呈圆柱形，顶端法兰和侧壁法兰分别连接于腔体管的侧壁，两端板直接固定于腔体管的前面和后面。

该腔体组件还包括有用于将同步辐射原位测试装置固定到实验线站的测试平台上的支座，该支座固定于腔体管的底部。

加热法兰和顶盖法兰之间配有绝热垫片。

加热管的外部套有陶瓷珠或陶瓷柱。

顶盖法兰与顶端法兰之间配有O型密封圈。

视窗法兰和端板之间设置有康普顿膜。

端板与康普顿膜以及康普顿膜和视窗法兰之间设置有O型密封圈垫片。

抽换气法兰与侧壁法兰之间配有O型密封圈。

抽换气法兰连接世伟洛克球阀。

本发明的同步辐射原位测试装置将样品保持在隔绝空气和水的环境下进行测量，满足催化掺杂Mg(BH₄)₂储氢体系的研究条件。而且，本发明的同步辐射原位测试装置的体积小，能够在手套箱中进行安装，解决了储氢体系不能接触水和空气的问题。

附图说明

图1是根据本发明的同步辐射原位测试装置的剖视图；

图2是图1的腔体组件的结构示意图；

图3是图1的加热组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

图1是根据本发明的同步辐射原位测试装置的剖视图，其中，该同步辐射原位测试装置包括视窗法兰1、腔体组件2、加热组件3和抽换气法兰4。腔体组件2形成为本发明的同步辐射原位测试装置的支架，加热组件3通过腔体组件2支撑并设置于腔体组件2的内部，而视窗法兰1和抽换气法兰4同样通过腔体组件2支撑但设置于腔体组件2的外部。

图2是图1的腔体组件的结构示意图，该腔体组件2包括顶端法兰21、不锈钢管22、腔体管23、侧壁法兰24、端板25和支座26。其中，腔体管23呈圆柱形，顶端法兰21和侧壁法兰24分别通过不锈钢管22连接于该腔体管23的侧壁上，而前后端板25(中心设置有第一射线窗口27)直接固定于腔体管23的前后端(即圆柱体的顶面和底面，在图中为前面和后面)。结合图1可知，加热组件3通过该顶端法兰21支撑和固定，抽换气法兰4通过该侧壁法兰24支撑和固定，视窗法兰1通过该前后端板25支撑和固定。另外，支座26直接固定于腔体管23的侧壁底部，用于将整个原位测试装置固定到实验线站的测试平台上。优选地，腔体管23由不锈钢材料形成，且体积较小(约204mm*150mm*271mm)，以方便进出手套箱。优选地，为了保证获得足够的衍射环数量，经过计算，第一射线窗口27的直径为50mm。

图3是图1的加热组件的结构示意图，该加热组件3包括航插31、顶盖法兰32、加热管33、陶瓷珠34、陶瓷管35、样品台36、热电偶压片37、样品座38、绝热垫片39、加热法兰310和吊杆311。顶盖法兰32的顶面设置有航插31，其用于连接外部温控装置并精确地控制测试样品的温度。顶盖法兰32的底面设置有加热法兰310，其用于通过吊杆311将样品台36悬挂固定于顶盖法兰32的下面。在本实施例中，为减少热量传递，加热法兰310和顶盖法兰32之间配有绝热垫片39，以防止通过顶盖法兰32将热量传递给腔体组件2而使得腔体组件2的温度过高。

样品台36上设置有热电偶，热电偶压片37将该热电偶固定在样品台上靠近样品的地方，监测样品的温度变化。该热电偶通过加热管33与航插31连接，从而通过该加热管33对整个样品台36进行加热。加热管33的外部套有陶瓷珠34或陶瓷柱35，以减少加热管33上的热损失。样品台36上固定有样品座38(中心设置有第二射线窗口312)，借助于吊杆311对样品台36的刚性支撑，样品台36上的第二射线窗口312的中心与前后端板25上的第一射线窗口27的中心对齐。样品紧贴样品座38设置并通过样品架固定在第二射线窗口312中，且样品的中心与第二射线窗口312的中心对齐。在本实施例中，样品台36由铜制成，有效地将热量传递到样品，使样品均匀受热。

结合图1和图2可知，加热组件3的顶盖法兰32与腔体组件2的顶端法兰21固定连接。为保证整个装置的气密性，顶盖法兰32与顶端法兰21之间配有O型密封圈。

在本实施例中，视窗法兰1的中心与前后端板25的中心对齐。视窗法兰1的中心有圆形窗口，以减少对X射线的损耗。视窗法兰1和前后端板25之间设置有康普顿膜。为保证气密性，前后端板25与康普顿膜以及康普顿膜和视窗法兰1之间设置有O型密封圈垫片。

在本实施例中，抽换气法兰4与侧壁法兰24之间配有O型密封圈，以确保整个装置的气密性。此外，抽换气法兰4上有不锈钢管，用于连接世伟洛克球阀，对装置进行抽真空或填充气体。这就极大地减小了本原位测试装置的体积，以确保整个装置可以放入手套箱进行安装。

本发明的同步辐射原位测试装置的具体使用过程包括：在手套箱中将样品安装于加热组件3的样品座38的第二射线窗口312中，将加热组件3插入腔体组件2内固定，通过抽换气法兰4抽真空或者填充好所需气体之后，检查装置气密性，然后将本发明的同步辐射原位测试装置从手套箱中取出。通过航插31连接外部温控装置，通过支座26将本发明的同步辐射原位测试装置固定到实验测试平台上。测试时X射线依次经过视窗法兰1、康普顿膜、前端板25、以及第二射线窗口312并照射到样品上，之后经由后端板25、康普顿膜和视窗法兰1出射到实验平台的探测器上。

显然，本发明的同步辐射原位测试装置将样品保持在隔绝空气和水的环境下进行测量，满足催化掺杂Mg(BH₄)₂储氢体系的研究条件。而且，本发明的同步辐射原位测试装置的体积小，能够在手套箱中进行安装，解决了储氢体系不能接触水和空气的问题。优选地，第一射线窗口27的直径为50mm，可测得较多的衍射环，从而得到较多的衍射峰。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。