一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池及其应用的制作方法

本发明涉及一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池及其应用。属于电化学电解池的技术领域。

背景技术：

目前，用于电化学测试的电解池一般为单隔室或双隔室电解池。在制作适用于该类电解池的工作电极(即研究电极)时，通常首先将导线与研究试样(如碳钢、不锈钢等)末端焊接，然后用环氧树脂或聚四氟乙烯材料封包试样周边，再用金相砂纸打磨、抛光试样底面(即工作面)至镜面光亮。这种电极制作方法复杂，流程较长，而且这种经过封包的试样，不适于电化学测试结束后继续进行试样表面形貌及成分分析(如SEM、XPS等)。此外，这种试样工作面一般为垂直朝下或侧向，不适于要求试样工作面垂直向上的局部电化学扫描探针研究。

中国专利CN102928625A公开一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，该电解池包括围成电解槽腔的上部结构和下部结构：在下部结构的中央设置有凹槽，所述的上部结构包括矩形框架，在矩形框架中的前侧壁为透明材质，在矩形框架中的左侧壁和右侧壁上分别设置有连通外界和电解槽内的沟槽。该发明使板状试样横向穿过电解槽的结构，尤其适用处于受力载荷或存在残余应力的金属材料试样的腐蚀实验研究。但该发明专利板状试样的长度超出进行表面形貌及成分分析(如SEM、XPS等)对试样的尺寸要求。

中国专利CN105353173A公开一种用于局部电化学扫描探针研究的电解池，该电解池包括围成电解池槽框的立方体形框架结构，该框架结构中的前侧壁为透明材质；在电解池底部圆心部位有一通透圆通；在于框架结构电解池前侧壁相邻的两个侧壁居中部位分别有一圆孔，该孔高度与电解池槽腔的深度一致，并通过在所述侧壁内设置的矩形通道与电解池槽腔相连，该电解池适用于对柱状金属试样开展局部腐蚀电化学研究。但所测试样制备需要经过环氧树脂封包，步骤繁琐，耗时长，而且其试样的高度超出开展SEM、XPS等表面分析测试所要求的试样高度上限。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池。

本发明还提供一种利用上述电解池对片状金属试样开展腐蚀电化学研究的实验方法。本发明可用于常规电化学测量及局部电化学扫描探针研究，并且在电化学测试结束后可以容易地将试样取出，继续进行SEM、XPS等表面分析测试。

本发明的技术方案如下：

一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池，包括通过密封橡胶垫圈密封连接的电解池上部结构和嵌设铂丝导电线圈的电解池下部结构，所述电解池上部结构和电解池下部结构密封形成电解池槽腔。所述的电解池上部结构、密封橡胶垫圈以及嵌设铂丝导电线圈的电解池下部结构是通过紧固螺栓固定密封的，但是本发明的密封连接方式也不限于螺栓固定，其它固定密封方式都属于本发明的保护范围。

根据本发明优选的，所述电解池上部结构包括矩形框架前侧壁、矩形框架左侧壁和矩形框架右侧壁；在所述矩形框架左侧壁和矩形框架右侧壁上分别垂直嵌设与所述电解池槽腔直接相连的第一圆孔和第二圆孔，在所述电解池上部结构上设置有孔洞。此处设计的优点在于：所述矩形框架前侧壁为透明材质观察窗，用于实时观测实验效果，所述第一圆孔和第二圆孔分别用来放置参比电极和辅助电极。

根据本发明优选的，在所述电解池下部结构中央位置设有供放置电极试样的凹槽，在所述凹槽的一侧设有通向外部的通孔。此处设计的优点在于，所述通孔用于将铂丝导电线圈与外部相连。所述凹槽深度小于电极试样高度，凹槽长、宽尺寸与电极试样相同。

根据本发明优选的，在所述密封橡胶垫圈上开设有与所述孔洞相对应的开孔；所述孔洞为正方形，所述孔洞边长范围：10-15mm。

根据本发明优选的，所述第一圆孔和第二圆孔尺寸如下：直径范围5-6mm，深度范围20-25mm；所述电解池槽腔分别通过矩形孔与第一圆孔和第二圆孔相连，所述矩形孔尺寸如下，宽度范围：2-3mm，高度范围：20-25mm；优选的，电解池上部结构的外形尺寸如下，长度范围：50-55mm，宽度范围：50-55mm，高度范围：20-25mm；所述电解池槽腔为矩形，长度范围：35-40mm，宽度范围：20-25mm，高度范围：17-22mm；优选的，所述密封橡胶垫圈的尺寸如下，长度范围：50-55mm；宽度范围：50-55mm；厚度范围：2-3mm。

根据本发明优选的，所述电解池上部结构为有机玻璃材质，所述电解池下部结构为有机玻璃材质。

根据本发明优选的，所述电解池下部结构的外形尺寸如下：长度范围50-55mm，宽度范围50-55mm，高度范围10-15mm。

根据本发明优选的，所述凹槽尺寸如下：长度范围15-20mm，宽度范围15-20mm，深度范围2-3mm；所述通孔尺寸如下：直径范围1-1.5mm。

一种利用上述电解池对片状金属试样开展腐蚀电化学研究的实验方法，包括步骤如下：

(1)准备待测片状电极试样：将待测金属材料加工制成片状试样，该片状试样长宽与所述凹槽相匹配，高度比凹槽高1-2mm；

(2)安装电解池、片状电极试样(即工作电极)、参比电极和辅助电极：将铂丝导电线圈固定在所述凹槽中，另一端穿过凹槽侧边通孔通向外部，将片状电极试样放置在铂丝导电线圈上部，再利用紧固螺栓将电解池上部结构、密封橡胶垫圈、片状电极试样以及嵌设铂丝导电线圈的电解池下部结构紧固密封；在所述第一圆孔和第二圆孔中分别安装固定参比电极和辅助电极；

(3)向电解池槽腔内加入电解质溶液；

(4)常规电化学测试：将片状电极试样、参比电极和辅助电极分别与电化学工作站连接，利用在计算机上安装的电化学测试软件进行腐蚀电化学实验。

根据本发明优选的，在步骤(1)中，用800^#和1000^#金相砂纸逐级打磨、抛光片状试样工作面至镜面光亮，用高纯水冲洗表面，干燥备用。

根据本发明优选的，所述实验方法还包括，局部电化学测试：

(5)在X-Y-Z三维位置控制器上固定Pt微探针(直径为25μm)，在所述电解质溶液中加入氧化还原中介体，该氧化还原中介体在Pt微探针上发生氧化或还原反应，产生电化学反应电流，将Pt微探针、片状电极试样、参比电极和辅助电极分别与双恒电位仪连接，先通过位置控制器初步调节Pt微探针与片状电极试样表面之间的距离，其距离变化通过CCD及电解池前侧壁透明观察窗监控，再利用在计算机上安装的局部电化学测试软件中的逼近曲线测试功能，精确调节Pt微探针与片状电极试样之间距离，确定距离后，开始局部电化学测试。

电化学测试完毕，将片状电极试样取出，进行接下来的表面分析测试。

本发明的优点在于

本发明的优点主要体现在以下三个方面：

1、本发明通过将电解池上、下部结构叠合，对所测片状电极试样进行密封仅暴露出所测试样表面，而且试样无需经过环氧树脂或聚四氟乙烯封包；电化学测试后，容易将此片状电极试样取出，直接进行后续SEM、XPS等表面分析测试，无需再次进行处理，步骤简单，方便易行。而通常研究片状或棒状材料试样的电解池，在开展电化学测试时，需要用环氧树脂或聚四氟乙烯对试样进行封包(只露出工作面)；电化学测试后，如欲继续进行SEM、XPS等表面分析测试，则首先需要将所述环氧树脂或聚四氟乙烯封包材料去除，步骤繁杂，耗时长，易导致试样表面状态及性质发生变化，而且去除封包材料过程也易破坏或玷污试样表面；此外，适用于后者这种类型电解池的试样工作面一般为垂直朝下或侧向，不适于要求试样工作面垂直向上的局部电化学扫描探针研究，而适用于本发明电解池的试样工作面垂直向上，可进行局部电化学扫描探针研究。

2、根据本发明优选的电解池几何尺寸，既可以满足对电解池结构紧固、尺寸紧凑的要求，构成的矩形电解池槽腔11900-22000mm³的内腔体积所能容纳的电解质溶液数量，又能够满足电化学研究尤其是局部电化学扫描探针研究的需求；同时，置于下部结构所述长宽高尺寸凹槽中的研究试样(即工作电极)，既可以开展常规电化学测量及局部电化学扫描探针研究，又符合随后进行的表面分析测试对试样尺寸的要求。

3、利用本发明所述电解池对片状金属试样开展腐蚀电化学研究的实验方法，具体实验步骤简洁明了，目的明确，既包含了利用上述电解池开展的常规电化学测试，又包含了利用该电解池特色及创新之处(如研究试样工作面垂直向上、电解池前侧壁透明观察窗可用于辅助监测Pt微探针的三维空间位置等)所开展的局部电化学扫描探针研究，以及电化学测试结束后简单易行地拆卸片状金属试样进行SEM、XPS等表面分析测试，恰如其分地介绍了一种适用于电化学测试及表面分析试样电解池的应用。

附图说明

图1本发明所述电解池上部结构的俯视图；

图2本发明所述密封橡胶垫圈的俯视图；

图3本发明所述电解池下部结构的俯视图；

在图1-3中，1、电解池上部结构；2、矩形框架前侧壁；3、矩形框架左侧壁；4、矩形框架右侧壁；5、第一圆孔；6、第二圆孔；7、电解池上部结构上的孔洞；8、紧固螺栓孔；9、密封橡胶垫圈；10、密封橡胶垫圈的开孔；11、电解池下部结构；12、凹槽；13、铂丝导电线圈；14、通孔。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细说明，但不限于此。

如图1-3所示。

实施例1、

一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池，包括通过密封橡胶垫圈9密封连接的电解池上部结构1和嵌设铂丝导电线圈13的电解池下部结构11，所述电解池上部结构1和电解池下部结构11密封形成电解池槽腔。

所述电解池上部结构1包括矩形框架前侧壁2、矩形框架左侧壁3和矩形框架右侧壁4；在所述矩形框架左侧壁3和矩形框架右侧壁4上分别垂直嵌设与所述电解池槽腔直接相连的第一圆孔5和第二圆孔6，在所述电解池上部结构1上设置有孔洞7。

在所述电解池下部结构11中央位置设有供放置电极试样的凹槽12，在所述凹槽12的一侧设有通向外部的通孔14。

实施例2、

如实施例1所述的一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池，其区别在于，在所述密封橡胶垫圈9上开设有与所述孔洞7相对应的开孔10；所述孔洞7为正方形，所述孔洞7边长范围：10-15mm。

所述第一圆孔5和第二圆孔6尺寸如下：直径范围5-6mm，深度范围20-25mm；所述电解池槽腔分别通过矩形孔与第一圆孔5和第二圆孔6相连，所述矩形孔尺寸如下，宽度范围：2-3mm，高度范围：20-25mm；电解池上部结构1的外形尺寸如下，长度范围：50-55mm，宽度范围：50-55mm，高度范围：20-25mm；所述电解池槽腔为矩形，长度范围：35-40mm，宽度范围：20-25mm，高度范围：17-22mm；所述密封橡胶垫圈9的尺寸如下，长度范围：50-55mm；宽度范围：50-55mm；厚度范围：2-3mm。

所述电解池下部结构11的外形尺寸如下：长度范围50-55mm，宽度范围50-55mm，高度范围10-15mm。

所述凹槽12尺寸如下：长度范围15-20mm，宽度范围15-20mm，深度范围2-3mm；所述通孔14尺寸如下：直径范围1-1.5mm。

本实施例中各个尺寸优选如下：

如实施例1所述的一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池，其区别在于，在所述密封橡胶垫圈上开设有与所述孔洞相对应的开孔；所述孔洞为正方形，所述孔洞边长：10mm。

所述第一圆孔直径为6mm，第二圆孔直径5mm，深度20mm；所述电解池槽腔分别通过矩形孔与第一圆孔和第二圆孔相连，所述矩形孔尺寸如下，宽度：3mm，高度：20mm；电解池上部结构的外形尺寸如下，长度：50mm，宽度：50mm，高度：20mm；所述电解池槽腔为矩形，长度：38mm，宽度：20mm，高度：18mm；所述密封橡胶垫圈的尺寸如下，长度：50mm；宽度：50mm；厚度：2mm。

所述电解池下部结构的外形尺寸如下：长度50mm，宽度50mm，高度10mm。

所述凹槽尺寸如下：长度15.5mm，宽度15.5mm，深度2mm；所述通孔尺寸如下：直径1mm。

实施例3、

如实施例1、2所述的一种适用于电化学测试及表面分析试样的电解池，其区别在于，所述电解池上部结构1为有机玻璃材质，所述电解池下部结构11为有机玻璃材质。

实施例4、

一种利用如实施例1-3所述电解池对片状金属试样开展腐蚀电化学研究的实验方法，本实施例以片状304不锈钢作为片状电极试样，包括步骤如下：

(1)准备待测片状电极试样：将待测304不锈钢加工制成片状试样，该片状试样长宽与所述凹槽12相匹配，高度比凹槽12高1-2mm；在步骤(1)中，用800^#和1000^#金相砂纸逐级打磨、抛光片状试样工作面至镜面光亮，用高纯水冲洗表面，干燥备用；

(2)安装电解池、片状电极试样(即工作电极)、参比电极和辅助电极：将铂丝导电线圈13固定在所述凹槽12中，另一端穿过凹槽12侧边通孔通14向外部，将片状电极试样放置在铂丝导电线圈13上部，再利用紧固螺栓将电解池上部结构1、密封橡胶垫圈9、片状电极试样以及嵌设铂丝导电线圈13的电解池下部结构11紧固密封；在所述第一圆孔5和第二圆孔6中分别安装固定参比电极和辅助电极；所述参比电极选用饱和甘汞电极SCE；所述辅助电极为铂丝；

(3)向电解池槽腔内加入0.5mol/L NaCl电解质溶液；

(4)常规电化学测试：将片状电极试样、参比电极和辅助电极分别与电化学工作站连接，利用在计算机上安装的电化学测试软件进行腐蚀电化学实验。

实施例5、

一种利用如实施例4所述电解池对片状金属试样开展腐蚀电化学研究的实验方法，所述实验方法还包括，局部电化学测试：

(5)在所述步骤(2)电解质溶液中加入氧化还原中介体二茂铁甲醇，所述二茂铁甲醇的浓度为0.9mmol/L，在X-Y-Z三维位置控制器上固定Pt微探针(直径为25μm)，将Pt微探针、片状电极试样、参比电极和辅助电极分别与双恒电位仪连接，先通过位置控制器初步调节Pt微探针与片状电极试样表面之间的距离，其距离变化通过CCD及电解池前侧壁透明观察窗监控，再利用在计算机上安装的局部电化学测试软件中的逼近曲线测试功能，精确调节Pt微探针与片状电极试样之间距离，确定距离后，开始局部电化学测试。

电化学测试完毕，将片状电极试样取出，进行接下来的表面分析测试。