一种电化学原位红外光谱ATR电解池装置

一种电化学原位红外光谱atr电解池装置
技术领域
1.本发明涉及一种电化学原位红外光谱atr电解池装置。


背景技术：

2.自第二次工业革命以来，由于化石能源的过度消耗，二氧化碳总排放量迅速增加，导致了各种全球性问题。越来越多的国家将“碳中和”上升为国家战略，提出“无碳未来”的愿景，全球绿色低碳转型已是大势所趋。提高能源利用效率与开发性能源是解决能源困境的有效途径，能源已逐渐成为各个国家竞争的核心资源，谁能率先拥有可持续清洁能源技术，谁将在国际竞争中占据主导地位。而电催化正是发展这一技术的基础科学，高效电催化剂的设计与应用更是重中之重。
3.目前，电催化反应机理尚未完全明晰，电催化剂产业的发展严重受限，亟需多种原位表征手段的应用来探明电催化剂的催化机理，为后续更高效的电催化剂的设计提供理论指导。其中，电化学原位红外光谱技术能够将电化学方法与红外光谱方法相结合，在对电化学体系进行电化学调制与测量过程中，利用红外光谱技术对体系的红外光谱信息变化进行实时检测，通过红外吸收频率和吸收强度的变化来探究电催化反应过程中电极/溶液界面物种的吸附、成键和脱附，反应中间体的生成以及反应终产物等。根据红外光的入射模式，电化学原位红外光谱可以分为透射与反射两种模式，其中，全内反射模式(atr电解池)具有能够检测吸附态物种，溶液电阻小，电位响应快，以及电流分布均匀的特点而得到广泛关注，然而目前常用的普通三电极电解池并不能满足atr模式的使用，因此亟需设计一种电化学原位红外光谱atr电解池装置。有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的是设计一种电化学原位红外光谱atr电解池装置来解决上述背景技术提出的问题。
5.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
6.一种电化学原位红外光谱atr电解池装置，包括电解池杯体、电解池上盖和红外窗片托架；其中，电解池上盖插接于电解池杯体内，电解池上盖上设有电解池上盖进气口、电解池上盖盐桥接口、电解池上盖出气口和电解池上盖对电极接口；所述电解池上盖盐桥接口和所述电解池上盖进气口分别设有伸入到盖体内部下半部的毛细管；红外窗片托架密封地设于电解池杯体底部，且红外窗片设于该红外窗片托架上，电解池杯体底部具有通孔，该通孔通往红外窗片。
7.优选地，电解池上盖进气口、电解池上盖盐桥接口、电解池上盖出气口和电解池上盖对电极接口沿外壁圆周方向间隔90度设于电解池上盖上。
8.优选地，还包括底座，所述的红外窗片托架套接于底座内，所述的底座和电解池杯体可拆卸连接。
9.优选地，所述的可拆卸连接为电解池杯体下半部具有外螺纹，红外窗片托架具有
对应的内螺纹。
10.优选地，红外窗片托架包括圆盘形架体，架体的中间部分设有方形孔；方形孔下方相对的两边向下向内延伸设倒梯形侧板，倒梯形侧面下端用连接板连接，方形孔、侧板和连接板之间构成中空结构；所述电解池杯体底部下表面以所述通孔为中心设有正方形凸起，该正方形凸起能够嵌入所述红外窗片托架的方形孔内；红外窗片设于方形孔下半部或中空结构内。
11.优选地，所述电解池杯体底部下表面设有凹槽，其和红外窗片托架的圆盘形架体尺寸对应。
12.优选地，所述底座包括圆筒形本体，圆筒形本体内壁具有内螺纹；圆筒形本体由底部向内延伸设有环形底板；该环形底板的内径小于红外窗片托架的圆盘形架体的外径；该环形底板的直径大于方形孔的对角线长度。
13.优选地，电解池杯体底部的通孔分为上下两部分，上部分的直径大于下部分的直径。
14.优选地，所述电解池杯体由聚四氟乙烯材料制成；所述红外窗片托架和所述底座分别为不锈钢制成。
15.优选地，所述电解池上盖杯体，所述电解池上盖进气口，所述电解池上盖出气口，所述电解池上盖盐桥接口，所述电解池上盖对电极入口均采用玻璃材料制成。
16.本发明的另一目的，在于提供前述的一种电化学原位红外光谱atr电解池装置在电化学体系测量中的应用。
17.相对于普通的三电极电解池，本发明的有益效果如下，创造性的将用于电催化反应体系的三电极电解池与红外光谱检测体系结合起来，基于现有的仪器，设计出一种电化学原位红外光谱atr电解池装置。电解池杯体用于装盛电解液，并与电解池上盖构成整体，保证反应体系的气体需要以及电解池的气密性。电解池上盖还设有对电极接口与盐桥接口用于连接对电极与参比电极。红外窗片托架可嵌入红外窗片底座，红外窗片底座通过螺纹与电解池杯体可拆卸连接，方便根据实验需要，更换不同的红外窗片。红外窗片上会施镀一层导电基底，通过导电胶与不锈钢托架相连，用于工作电极外接工作站，导电基底中央可沉积催化剂并通过电解池杯体底部孔洞与电解液接触，构成电催化反应体系。所述atr电解池能够在对电化学体系进行电化学调制与测量过程中，利用红外光谱技术对体系的红外光谱信息变化进行实时检测。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
19.图1为电解池上盖正视图(a)与侧视图(b)，
20.图2为电解池杯体不同视角示意图(a和b)。
21.图3为红外窗片托架示意图。
22.图4为红外窗片底座示意图。
23.图5为本发明实施例提供的在不同电位下，得到的反映铜电极表面co分子吸附信息的红外光谱图
24.图6为红外窗片托架和底座的实物图。
25.图7为本发明的整体结构实物图。
26.图8为红外窗片的实物图。
27.其中：
28.100-电解池上盖，110-盖体120-电解池上盖进气口，130-电解池上盖盐桥接口，140-电解池上盖出气口，150-电解池上盖对电极接口，
29.200-电解池杯体，210-通孔220-凸起230-螺丝孔240-定位孔250-圆形凹槽
30.300-红外窗片托架，310-架体320-方形孔330-侧板340-连接板
31.400-底座，410圆筒形本体420-环形底板430-工作电极接口。
具体实施方式
32.参见图1至图4，本发明一种电化学原位红外光谱atr电解池装置，包括电解池杯体200、电解池上盖100、红外窗片托架300和底座400。
33.参见图2，电解池杯体200为顶部开口底部封闭的圆筒状，所述电解池杯体底部设有圆形凹槽250，圆形凹槽250的中央设通孔210，所述通孔210使红外窗片上的工作电极接触电解液。所述电解池杯体底部下表面以所述通孔210为中心设有正方形凸起220，以嵌入所述红外窗片托架300，共同稳定红外窗片。所述电解池杯体上端有三个螺纹孔230，留备后续加装，三个螺纹孔230均匀分布；在距所述电解池杯体顶部一距离设有定位孔240；所述电解池杯体侧壁下半部设有螺纹，可与底座400进行可拆卸连接。
34.参见图1，电解池上盖100包括顶部封闭低端开口的圆筒形盖体110。所述的圆筒形盖体110下半部能够插入电解池杯体200内构成电解池。圆筒形盖体110的上部侧面设有四个开口，分别是电解池上盖进气口120，电解池上盖盐桥接口130，电解池上盖出气口140，电解池上盖对电极接口150。，这几个口环绕盖体110外侧壁间隔90度分布。其中，所述电解池上盖盐桥接口130设置有伸入到所述盖体内部的毛细管；所述电解池上盖进气口120同样设置有伸入到所述盖体内部的毛细管，所述毛细管口靠近盖体底部中心。
35.参见图3，红外窗片托架300包括圆盘形架体310，该架体310和杯体底部的圆形凹槽250对应配合。架体310的中间部分设有方形孔320，方形孔320和正方形凸起220配合；方形孔320下方相对的两条边向下向内延伸设倒梯形的侧板330，两条侧板330的下端用连接板340连接。方形孔320和两条侧板330构成的中空结构用于安放红外窗片。
36.参见图4，所述底座400包括圆筒形本体410，圆筒形本体410内壁具有内螺纹，和杯体200的下半部侧壁的外螺纹配合。圆筒形本体410由底部向内延伸设有环形底板420。该环形底板420的内径小于红外窗片托架300的圆盘形架体310的外径。该环形底板420的直径大于方形孔320的对角线长度。
37.优选地，所述电解池杯体200由聚四氟乙烯材料制成。
38.优选地，所述红外窗片托架300，所述底座400以及所述底座上的电极接口均由不锈钢材料制成，电阻低，导电性强。
39.优选地，所述电解池上盖100盖体直径为35mm，高度为50mm。
40.优选地，所述电解池上盖盐桥接口130与所述电解池杯体相连接且垂直部分直径为8mm，所述盐桥接口与所述杯体平行部分长度为10mm，直径为8mm，所述盐桥接口顶部设置的内磨口为10号标准磨口。
41.优选地，所述电解池上盖进气口120与所述电解池杯体相连接且垂直部分的直径为8mm，所述上盖进气口与所述杯体平行部分长度为22mm，直径为8mm，所述进气口顶端设有气体管路固定装置。
42.优选地，所述电解池上盖出气口140与所述电解池杯体相连接且垂直部分长度为20mm，直径为8mm。
43.优选地，所述电解池上盖对电极入口150与所述电解池杯体相连接且垂直部分长度为10mm，直径为8mm。
44.优选地，所述电解池杯体200外径为60mm，高度为30mm，内径为38mm，高度为24mm；所述通孔210分为上下两部分，下部分使红外窗片上的工作电极接触电解液，直径为8mm，高度为2mm，上部分使电解液呈三维扩散阶梯型结构，增加扩散速率，直径为16mm，高度为4mm；所述正方形凸起边长为27mm，圆形凹槽250直径50mm，高度为2mm；所述电解池杯体上端有三个m3螺纹孔，孔心均匀分布在半径为24.5mm的一个圆上；定位孔240在距所述电解池杯体顶部4.5mm处，直径为1mm。
45.优选地，所述红外窗片托架的圆盘形架体310直径为50mm，高度为3mm；所述托架中部呈倒梯形立方体镂空结构，用于安放红外窗片，所述倒梯形立方体镂空结构高度为14.44mm，顶部为正方形，边长为27mm，底部为矩形，长度为27mm，宽度为11.65mm；所述托架顶部与底部之间的支撑部位厚度为2mm；所述托架底部厚度为2mm。
46.优选地，所述底座400的圆筒形本体410外部直径为69mm，内部直径为60mm，高度为7.5mm，内部有螺距为2的螺纹与所述电解池杯体吻合；环形底板420高度为2.5mm，环形底板420中间的圆形孔方便所述红外窗片托架300嵌入，与所述电解池杯体共同稳定红外窗片，其中，孔洞直径为45mm；所述红外窗片侧面有圆柱状凸起，作为工作电极接口，长度为6.86mm，直径为4mm。
47.电化学原位红外光谱atr电解池装置装置组装步骤如下
48.将红外窗片置于红外窗片托架中，通过铜导电胶将红外窗片表面工作电极与不锈钢托架相连，在红外窗片表面加盖一层与电解质杯体底部孔洞开孔一致的聚四氟乙烯垫片防止漏液，将红外窗片托架与电解池杯体底部正方形凸起相嵌套吻合，然后通过红外窗片底座与电解池杯体旋紧。将适量去离子水加入电解池杯体检查是否漏液，然后加入20ml电解液于电解池杯体中，将电解池上盖盖入杯体中，可在电解池上盖上缠上适量生胶带增强密封效果。将盐桥与盐桥接口连接并接入参比电极，将对电极通过电解池上盖对电极接口加入电解液中并使用生胶带密封，根据实验需要接入气体管道与尾气排放管道。
49.使用本发明所提供的电化学原位红外光谱atr电解池装置进行铜电极表面co吸附的实验步骤如下：
50.根据实验需要，选择硅作为红外窗片，选择铜作为导电基底以及催化剂，硅表面镀铜步骤如下：
51.将硅棱镜用0.3μm和1μm的al2o3研磨粉分别抛光5min，然后分别用去离子水和乙醇超声3次，每次至少10min，以去除硅棱镜表面的有机物与残留的研磨粉，然后将硅棱镜置于食人鱼溶液中浸泡至少1h，最后用大量去离子水冲洗，吹干。
52.将8g氟化铵配置成20ml溶液，硅棱镜置于其中浸泡刻蚀90s后表面呈疏水状态，用去离子水冲洗干净，吹干。
53.配置0.625m氢氟酸和3.15m五水硫酸铜的混合溶液作为种子液，将硅棱镜置于其中浸泡12s；配置5g/l的五水硫酸铜，25g/l的酒石酸钾钠，10ml/l甲醛，7g/l氢氧化钠的混合溶液作为镀液，将镀液滴加到硅棱镜表面，在30℃下水浴生长4min，待镀膜结束后，去离子水冲洗，吹干。
54.选择0.1m khco3作为电解液，选择ag/agcl作为参比电极，选择铂电极作为对电极。
55.基于以上步骤所组装好的atr电解池进行原位红外测试，具体如下：
56.向电解池中持续通入co；将atr电解池的工作电极、参比电极与对电极与potentiostat/galvanostat model 263a电化学工作站连接，采用多步阶跃(msftirs)测试方法，设置电位区间为-900
–
300mv(vs rhe)，参考电位为300mv(vs rhe)；原位红外检测采用傅里叶变换红外光谱仪(nicolet-8700ftir)，扫描范围：4000-1000cm-1，resolution：8cm-1。
57.图5为本发明实施例提供的在不同电位下，得到的反映铜电极表面co分子吸附信息的红外光谱图。