一种电化学测试系统的制作方法

本发明设计电化学测试领域，具体地，涉及一种非均相介质体系的电化学测试系统。

背景技术：

为明确非均相介质体系中电化学参数的分布特征，研究电池、材料腐蚀、生物电化学等体系中的电化学场分布规律，需要能够准确表征局部电化学信息的测试系统。

常规电化学工作站能够进行的经典电化学测试技术如线性极化电阻、电化学阻抗谱、循环伏安法、极化曲线等只能获取电极表面的整体平均电化学信息，难以对局部区域的电化学信号进行区分。在常规的电化学工作站中，只能获取电化学测试体系的电位、电流和阻抗等某一方面的信息，而且部分为间接信息，例如，扫描振动电极技术svet和局部电化学阻抗谱leis是基于表面阴阳极电化学反应引起电解质电场梯度进行的测试，获取的电流密度和微区阻抗并非基底材料的反应信息。

在更为复杂的气、液、固多相不均匀的测试体系中，由于含有固态成分，。常规电极阵列技术只能获得腐蚀电位和电偶电流分布信息，测试信息不够全面，无法对腐蚀机理作进一步的分析。基于此，需要一种适应范围更广的局部电化学测试系统。

技术实现要素：

本说明书实施例提供一种电化学测试系统，用以解决如下问题：以提供一种适应范围更广的电化学测试系统，能够区分非均相介质体系中电极表面的电化学特性差异，准确表征整体和局部电化学信息。

基于此，本说明书实施例提供一种电化学测试系统，包括：同心圆三电极阵列系统和微电极阵列测试系统；

所述同心圆三电极阵列系统包括:n个同心圆三电极单元，相邻的同心圆三电极单元之间通过绝缘材料隔离；所述同心圆三电极单元包括环状辅助电极、固态参比电极和丝状工作电极，所述环状辅助电极和固态参比电极均成环形，丝状工作电极位于固态参比电极内，丝状工作电极和固态参比电极之间通过绝缘材料隔离；固态参比电极位于环状辅助电极内，固态参比电极和环状辅助电极之间通过绝缘材料隔离；

所述微电极阵列测试系统包括：模块化硬件测试系统和可视化软件测试系统，所述模块化硬件测试系统由机箱、嵌入式控制器、外设模块、仪器模块组成，所述仪器模块包括第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关、第一数字万用表、第二数字万用表和微弱电流放大器；

其中，所述第一矩阵转换开关连接所述同心圆三电极阵列中三电极单元的工作电极，所述第二矩阵转换开关连接所述三电极单元的参比电极，第三矩阵转换开关连接所述三电极单元的辅助电极。2、如权利要求1所述的系统，所述第一矩阵转换开关的行通道r0至rm的数量(m+1)≥4，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)分别连接所述n个同心圆三电极单元中一个工作电极；

所述第二矩阵转换开关的行通道r4至rp的数量≥2，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)分别连接所述n个同心圆三电极单元中一个参比电极；

所述第三矩阵转换开关的行通道r8至rq的数量大于等于2，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)分别连接所述n个同心圆三电极单元中一个辅助电极。

进一步地，所述第一数字万用表用于测量同心圆三电极阵列系统中工作电极的电偶腐蚀电流，所述第一矩阵转换开关用于，将电偶电流测量的两个行通道连接到所述微弱电流放大器的两个电流输入测量端，将所述微弱电流放大器的两个电压输出端接到所述第一数字万用表的两个电压输入测量端。

进一步地，所述第二数字万用表用于测量同心圆三电极阵列系统中工作电极的电偶腐蚀电位，所述第一矩阵转换开关用于，将电偶电位测量的两个行通道连接到第二矩阵转换开关进行电偶电位测量的两个行通道，第二数字万用表的两个电压输入测量端中的低电位测量端连接到第二矩阵转换开关的参比电极行通道，高电位测量端连接到第一矩阵转换开关的工作电极行通道。

进一步地，所述第一矩阵转换开关用于耦合工作电极，或将同心圆三电极阵列中的某一个工作电极单独选出，以获取局部单电极的电化学信息；所述第二矩阵转换开关用于耦合参比电极，或将与经由第一矩阵转换开关选出的工作电极对应的参比电极选出；所述第三矩阵转换开关用于耦合辅助电极，或将与经由第一矩阵转换开关选出的工作电极对应的辅助电极选出。

进一步地，所述系统还包括电化学工作站，所述第一矩阵转换开关连接电化学工作站的工作电极接线端、第二矩阵转换开关连接所述电化学工作站的参比电极接线端、第三矩阵转换开关连接电化学工作站的辅助电极接线端。

更进一步地，所述电化学工作站数量包括一个或者多个。

更进一步地，第一矩阵转换开关将所述同心圆三电极阵列中的工作电极全部耦合，并与所述电化学工作站的工作电极接线端连接；第二矩阵转换开关将所述同心圆三电极阵列中的参比电极全部耦合，并与所述电化学工作站的参比电极接线端连接；第三矩阵转换开关将所述同心圆三电极阵列中的辅助电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的辅助电极接线端连接，以进行电化学信息测试。

更进一步地，通过第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关将所述同心圆三电极阵列中某一个或某几个同心圆三电极选出进行定域测量，所述第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关分别与电化学工作站的的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接，以进行电化学测试。

进一步地，所述微电极阵列测试系统中，所述模块化硬件测试系统为独立主控式硬件测试系统或远程控制式硬件测试系统；其中，所述独立主控式硬件测试系统的机箱为集成了所述嵌入式控制器及外设模块的pxi或pxie机箱，其控制方式由运行操作系统的所述嵌入式控制器来独立控制；所述远程控制式硬件测试系统的机箱为具有集成mxi-express控制模块并由台式计算机或者便携式计算机远程控制的pxi或pxie机箱，其控制方式由运行操作系统的所述台式计算机或者便携式计算机通过所述mxi-express控制模块来远程控制；所述第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关采用pxi/pxie总线的矩阵转换开关；所述可视化软件测试系统基于labview编写。

采用本说明书实施例所提供的方案能够达到以下至少一种有益效果：

(1)本发明提供的测试系统具有一定的普适性，基于该系统的测试方法可以广泛应用于电池、燃料电池、各种腐蚀体系、电化学工程、电化学传感器等等多种非均相介质电化学研究体系中，可在固相介质存在的条件下全面获取电极的宏观及局部的电化学性质的信息。

(2)本发明提供的测试系统，基于同心圆三电极阵列进行，测试时电力线分布更均匀，电位测试精度高，可预先判断三电极体系的连接状态，避免因电极短路/断路造成电化学工作站的损坏。

(3)通过与常规的电化学工作站联用，本发明提供的测试系统便于全面获取和有效关联电极在耦合/非耦合状态下局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等界面电化学信息，以及电偶电位、电偶电流等局部分布信息；可同时获取非均相介质体系中，不同位置的局部电化学信息。

附图说明

图1为同心圆三电极阵列系统的示意图；

图2为同心圆三电极单元的结构示意图；

图3为本说明书实施例提供的电化学测试系统中的线路连接的示意图；

图4a至图4d为本说明书实施例所提供的系统进行局部电化学测试的线路连接状态示意图；

图5为本说明书实施例所提供的三电极单元全耦合状态下与一个电化学工作站联用的系统的示意图；

图6为本说明书实施例所提供的选取的某一个同心圆三电极进行电化学测试的示意图；

图7为本说明书实施例提供的连接多个电化学工作站的系统的示意图；

图8为本说明书实施例所提供的与具有12通道的multiautolab经典电化学工作站所连接的系统的示意图.

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

图1为同心圆三电极阵列系统的示意图，如图1所示，同心圆三电极阵列系统由n个同心圆三电极单元排列而成，在同心圆三电极阵列系统中，每个同心圆三电极单元所述同心圆三电极单元包括环状辅助电极、固态参比电极和丝状工作电极，所述环状辅助电极和固态参比电极均成环形，丝状工作电极位于固态参比电极内，丝状工作电极和固态参比电极之间通过绝缘材料隔离；固态参比电极位于环状辅助电极内，固态参比电极和环状辅助电极之间通过绝缘材料隔离。如图2所示，图2为同心圆三电极单元的结构示意图。测试时，将同心圆三电极阵列系统放置于电解质溶液中。

所述微电极阵列测试系统包括：模块化硬件测试系统和可视化软件测试系统，所述模块化硬件测试系统由机箱、嵌入式控制器、外设模块、仪器模块组成，所述仪器模块包括第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关、第一数字万用表、第二数字万用表和微弱电流放大器；

其中，所述第一矩阵转换开关连接所述同心圆三电极阵列中三电极单元的工作电极，所述第二矩阵转换开关连接所述三电极单元的参比电极，第三矩阵转换开关连接所述三电极单元的辅助电极。如图3所示，图3为本说明书实施例提供的电化学测试系统中开关的线路连接的示意图。在该图中，可视化软件测试系统接收硬件系统的电信号，并通过个人电脑pc显示相关的电化学信息数据。

第一数字万用表用来测量同心圆三电极阵列中每个工作电极的电偶腐蚀电流。具体而言，将所述第一矩阵转换开关进行电偶电流测量的两个行通道连接到所述微弱电流放大器的两个电流输入测量端，而将所述微弱电流放大器的两个电压输出端接到所述第一数字万用表的两个电压输入测量端，即，将电流测量转换为电压测量。

第一数字万用表用来测量同心圆三电极阵列中每个工作电极的电偶腐蚀电位。具体而言，将所述第一矩阵转换开关进行电偶电位测量的另外两个行通道连接到第二矩阵转换开关进行电偶电位测量的两个行通道，第二数字万用表的两个电压输入测量端中的低电位测量端连接到第二矩阵转换开关的参比电极行通道，高电位测量端连接到第一矩阵转换开关的工作电极行通道。

作为上述实施例的优选设计，所述第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关为按一线m行×n列矩阵配置的高速fet矩阵开关。第一矩阵转换开关的行通道r0至rm的数量(m+1)≥4，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)各自连接同心圆三电极阵列中的一个工作电极；第二矩阵转换开关的行通道r4至rp的数量大于等于4，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)各自连接同心圆三电极阵列中的一个参比电极；第三矩阵转换开关的行通道r8至rq的数量大于等于4，其列通道c0至cn的数量(n+1)≥同心圆三电极阵列的数量n，并且列通道c0至c(n-1)各自连接同心圆三电极阵列中的一个辅助电极。

在本说明书实施例所提供的电化学测试系统中，所述第一矩阵转换开关用于耦合工作电极(即三电极阵列系统中的全部工作电极耦合)，或将同心圆三电极阵列中的某一个工作电极单独选出，以获取局部单电极的电化学信息；所述第二矩阵转换开关用于耦合参比电极，或将与经由第一矩阵转换开关选出的工作电极对应的参比电极选出；所述第三矩阵转换开关用于耦合辅助电极，或将与经由第一矩阵转换开关选出的工作电极对应的辅助电极选出。

在采用本说明书实施例所提供的电化学测试系统进行测试时，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关将工作电极全部耦合、第二矩阵转换开关将参比电极全部耦合后，对同心圆三电极阵列进行电偶电位和电偶电流的扫描，获取非均相介质体系(包含气、液、固等多相的不均匀的介质体系)中金属耦合状态下的电偶腐蚀状态和局部腐蚀电流密度。如图4a至图4d所示，图4a至图4d为本说明书实施例所提供的通过切换三个开关的连接通道实现电极的耦合的接线状态示意图。图4a为通过矩阵开关分别将三电极阵列的工作电极、参比电极和辅助电极耦合时的接线状态示意图；图4b为获取电偶电位时的接线状态；图4c为获取电偶电流时的接线状态示意图；图4d为测试结束后，电极重新回到耦合状态时的示意图

具体的测试流程为：(1)打开微电极阵列测试系统软件，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关将工作电极全部耦合、第二矩阵转换开关将参比电极全部耦合。

(2)定期对同心圆三电极阵列逐一进行电偶电位和电偶电流的扫描，一般每隔2小时、或1天、或5天扫描一次。

通过将三电极阵列系统与微电极阵列测试系统进行电化学测试，可同时获取非均相介质体系中，不同位置的局部电化学信息(电偶电位、电偶电流等信息)。基于同心圆三电极阵列时，测试时电力线分布更均匀，电位测试精度高，可预先判断三电极体系的连接状态，避免因电极短路/断路造成电化学工作站的损坏。

作为本说明书的一种具体实施方案，所述系统还包括电化学工作站，所述第一矩阵转换开关连接电化学工作站的工作电极接线端、第二矩阵转换开关连接所述电化学工作站的参比电极接线端、第三矩阵转换开关连接电化学工作站的辅助电极接线端。

所述的电化学工作站即为常规的电化学工作站，可为市售任一规格型号的工作站，包括solartronanalytical、princetonappliedresearch、gamry、zennium、autolab、ivium、corrtest、ime/6e系列、chi系列、pg系列、pineaf系列等产品系列或者各种型号。

具体而言，可利用利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中的工作电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的工作电极接线端连接；利用第二矩阵转换开关将参比电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的参比电极接线端连接；利用第三矩阵转换开关将辅助电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的辅助电极接线端连接，通过微电极阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用，进行同心圆三电极阵列的开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试，获取非均相体系中金属耦合状态下电极/溶液界面的统计和面积平均的腐蚀电化学动力学信息。具体测试过程如下：

参见图5，图5为本说明书实施例所提供的三电极单元全耦合状态下与一个电化学工作站联用的系统的示意图。在该图中，we为电化学工作站的工作电极接线端，re为电化学工作站参比电极接线端，ce为电化学工作站的辅助电极接线端。通过微电极阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用，进行同心圆三电极阵列的开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试，获取非均相介质体系中金属耦合状态下电极/溶液界面的统计和面积平均的腐蚀电化学动力学信息，其测试流程为:

(1)利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中的工作电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的工作电极接线端连接；利用第二矩阵转换开关将参比电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的参比电极接线端连接；利用第三矩阵转换开关将辅助电极全部耦合，与经典电化学综合测试系统的辅助电极接线端连接。

(2)开启电化学工作站测试软件，选择“开路电位”，设置需要监测的时间后，进行开路电位测试。

(3)待开路电位稳定后，进行线性极化电阻测试，扫描范围为±10mvvs.ocp，扫描速率为0.1667mv/s。

(4)待开路电位稳定后，进行电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为100khz-0.01hz，扰动信号为幅值10mv以内的正弦波。

(5)待开路电位稳定后，线性极化电阻和电化学阻抗谱测试完成后，进行动电位极化曲线测试，扫描范围为相对于开路电位±250mv，扫描速率0.1667mv/s。

在上述测试流程中，步骤(3)和步骤(4)可以互换，在步骤(3)、(4)、(5)中，扫描范围、扰动信号的幅值和扫描速率都可以根据不同研究体系设置不同的参数。

作为一种具体的实施方案，在与常规的电化学工作站联用时，还可以通过第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关将所述同心圆三电极阵列中某一个或某几个同心圆三电极选出进行定域测量，所述第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关和第三矩阵转换开关分别与电化学工作站的的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接，以进行电化学测试。如图6所示，图6为本说明书实施例所提供的选取的某一个同心圆三电极进行电化学测试的示意图。

例如，通过微电极阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用，进行同心圆三电极阵列的开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试，获取非均相介质体系中金属非耦合状态下的电极/溶液界面的腐蚀电化学动力学信息。其测试流程为:

s601，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中某一个三电极单元选出，分别与经典电化学综合测试系统的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接。

s602，开启电化学工作站测试软件，选择“开路电位”，设置需要监测的时间后，进行开路电位测试。

s603，待开路电位稳定后，进行线性极化电阻测试，扫描范围为±10mvvs.ocp，扫描速率为0.1667mv/s。

s604，待开路电位稳定后，进行电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为100khz-0.01hz，扰动信号为幅值10mv以内的正弦波。

s605，待开路电位稳定后，线性极化电阻和电化学阻抗谱测试完成后，进行动电位极化曲线测试，扫描范围为相对于开路电位±250mv，扫描速率0.1667mv/s。

在上述测试流程中，步骤s603和步骤s604可以互换，在步骤s603、s604、和s605中，扫描范围、扰动信号的幅值和扫描速率都可以根据不同研究体系设置不同的参数。

又例如，在图6所示的系统中，通过微电极阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用，进行同心圆三电极阵列的电化学阻抗谱测试，获取同心圆三电极阵列中的局部阳极区或局部阴极区内的电化学阻抗及其随时间的变化，其测试流程为：

s701，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中某一个三电极单元选出，分别与电化学工作站的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接。

s702，开启电化学工作站测试软件，选择“开路电位”，设置需要监测的时间后，进行开路电位测试。

s703，待开路电位稳定后，进行电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为100khz-0.01hz，扰动信号为幅值10mv以内的正弦波。

在上述测试流程中，步骤s703中的扫描范围和扰动信号的幅值都可以根据不同研究体系设置不同的参数。

作为本说明书的一种具体的实施方案，在连接常规的电化学工作站时，可以连接多个，如图7所示，图7为本说明书实施例提供的连接多个电化学工作站的系统的示意图。在该系统中，可进行同心圆三电极阵列的开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试，获取非均相介质体系中，非耦合状态下不同位置金属的电极/溶液界面的腐蚀电化学动力学信息。其测试流程为:

s801，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中某4个三电极选出，分别与4台经典电化学综合测试系统的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接。

s802，分别开启电化学工作站测试软件，选择“开路电位”，设置需要监测的时间后，进行开路电位测试。

s803，待开路电位稳定后，进行线性极化电阻测试，扫描范围为±10mvvs.ocp，扫描速率为0.1667mv/s。

s804，待开路电位稳定后，进行电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为100khz-0.01hz，扰动信号为幅值10mv以内的正弦波。

s805，待开路电位稳定后，线性极化电阻和电化学阻抗谱测试完成后，进行动电位极化曲线测试，扫描范围为相对于开路电位±250mv，扫描速率0.1667mv/s。

在上述测试流程中，步骤s803和步骤s804可以互换，在步骤s803、s804、s805中，扫描范围、扰动信号的幅值和扫描速率都可以根据不同研究体系设置不同的参数。每增加三组矩阵转换开关，可同时连接4台电化学工作站，同时获取4个三电极阵列的电化学信息。

作为本说明书的一种具体的实施方案，还可以与具有12通道的multiautolab经典电化学综合测试系统联用进行电化学测试，进行同心圆三电极阵列的开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试，获取非均相介质体系中，非耦合状态下不同位置金属的电极/溶液界面的腐蚀电化学动力学信息。如图8所示，图8为本说明书实施例所提供的与具有12通道的multiautolab经典电化学综合测试系统所连接的测试系统的示意图。其测试流程为:

s901，利用微电极阵列测试系统的第一矩阵转换开关、第二矩阵转换开关、第三矩阵转换开关将同心圆三电极阵列中某四个三电极选出，分别与具有12通道的multiautolab经典电化学综合测试系统四个通道的工作电极接线端、参比电极接线端、辅助电极接线端连接。

s902，分别开启电化学工作站测试软件，选择“开路电位”，设置需要监测的时间后，进行开路电位测试。

s903，待开路电位稳定后，进行线性极化电阻测试，扫描范围为±10mvvs.ocp，扫描速率为0.1667mv/s。

s904，待开路电位稳定后，进行电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为100khz-0.01hz，扰动信号为幅值10mv以内的正弦波。

s905，待开路电位稳定后，线性极化电阻和电化学阻抗谱测试完成后，进行动电位极化曲线测试，扫描范围为相对于开路电位±250mv，扫描速率0.1667mv/s。

在上述测试流程中，步骤s903和步骤s904可以互换，在步骤s903，s904，s905中，扫描范围、扰动信号的幅值和扫描速率都可以根据不同研究体系设置不同的参数。每增加三组矩阵转换开关，可同时连接多通道电化学工作站的4个通道，同时获取4个三电极阵列的电化学信息。

通过与常规的电化学工作站进行联用，便于全面获取和有效关联电极在耦合/非耦合状态下局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等界面电化学信息，以及电偶电位、电偶电流等局部分布信息；可同时获取非均相介质体系中，不同位置的局部电化学信息。本发明提供的测试系统具有一定的普适性，可以广泛应用于电池、燃料电池、各种腐蚀体系、电化学工程、电化学传感器等等多种非均相介质电化学研究体系中，可在固相介质存在的条件下全面获取电极的宏观及局部的电化学性质的信息。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。