一种用于电化学原位谱学测试的膜电极电解池及应用

本发明属电化学和光谱学，具体涉及用于电化学原位谱学测试的膜电极电解池及其应用。

背景技术：

1、为了实现二氧化碳减排，国家大力推动太阳能、风能等可再生新型能源的普及和应用。但这些新型能源具有典型的季节性和时段性，存在供电波峰和波谷，大量电能无法有效利用，造成严重的弃电和能源浪费。将光伏或风电弃电通过水电解产生氢气(“绿氢”)并加以储存，再通过氢氧燃料电池或氢内燃机将能量加以利用，可真正实现零碳排放的新型能源供需循环。而质子交换膜水(pem)电解技术是利用可再生能源发电、进行规模化产氢中，最有前景的技术之一。

2、理解和调控pem电解装置各界面的反应机理及演化机制，是开发高性能pem电解装置的最有力武器。然而，反应机制的理解的提升依赖于先进的原位表征技术的发展与应用，且在工况的膜电极体系下，电催化剂-聚合物电解质界面上的化学过程、质量传递方式与催化剂稳定机制可能与实验室电解液体系的固-液界面完全不同。因此，开发工况下的、基于固态电解质的电化学原位谱学及显微学表征技术，揭示电催化剂化学环境演化、电催化剂与pem界面结构演化的规律和失效机制迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种可用于多种电化学原位谱学测试的膜电极电解池及其应用。

2、本发明提出的可用于多种电化学原位谱学测试的膜电极电解池，采用三电极或两电极体系；其中，工作电极为膜电极，与实际产业化的紧装配电解槽相近；膜的种类可根据测试需求更换；所述原位电解池可耐受ph为0-14范围的腐蚀性电解液；可在10-7-103mbar的压力下稳定工作，取消了电解液层，无漏液问题，可满足常温常压或高真空等多种原位环境多种谱学原位测试。

3、本发明提供的可用于多种电化学原位谱学测试的膜电极电解池，具体包括：

4、(1)聚合物膜电极，用作工作电极，用于负载目标的阴/阳极催化剂，是电化学反应发生的场所，可压缩的膜电极也能起到固定和密封作用；

5、(2)顶盖，主要用于工作电极的集流体，配有通光孔，以供原位谱学测试通光采谱；

6、(3)底板，主要用于对电极的集流体，用于支撑电解池以及与各种谱学测试仪器连接；

7、(4)塑料垫片，顶盖-膜电极-底盖按顺序连接，中间添加塑料垫片用以防止短路；

8、所述聚合物膜电极、顶盖、底板依次用塑料或尼龙等绝缘材料制成的螺丝栓接固定。

9、本发明中，所述膜电极膜厚度为20-400μm，材料为聚电解质复合膜、双极膜、两性离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换树膜中的一种。

10、进一步地，聚合物膜电极上负载催化剂的量为：0.02-8mg/cm2；具体负载方式为：

11、(1)目标样品为薄膜时，样品通过磁控溅射法、真空蒸发镀膜法、电弧离子镀膜法、金属有机物化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、激光化学气相沉积、液相沉积法、溶胶凝胶法、水热法、水解沉积法、层接层自组装法中的一种或几种负载在聚合物膜电极上；

12、(2)目标样品为粉末时，样品通过喷涂法、丝网印刷法、刮涂法、转印法中的一种或几种负载在聚合物膜电极上。

13、本发明中，所述顶盖和底板的厚度为0.2-100mm，其中顶盖中间设置孔径为0.2-8mm的圆形或方形通光孔，通光孔与地面倒角为35-160度；顶盖和底板的材质为钛、铜、金、银、锌、不锈钢、钛合金、铝合金、铝镁合金、石墨片、玻碳片中的一种。在本发明的一个优选方案中，使用钛板、玻碳片或石墨板作为顶盖和底板的材料。

14、进一步地，顶盖和底板设置螺纹孔用以固定装配。

15、进一步地，顶盖和底板设置极耳位置，和电化学工作站相连。

16、本发明中，所述垫片和螺丝材质为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸酯、乙烯─醋酸乙烯酯共聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种或几种。在本发明的一个优选实施方案中，垫片和螺丝材质采用聚四氟乙烯。

17、本发明的膜电极电解池可用于电化学原位谱学测试。具体是将膜电极电解池装置固定在谱学仪器上，将工作电极和对电极连接到电化学工作站，进行电化学原位谱学测试。

18、所述电化学原位谱学测试包括：原位x射线吸收谱测试、原位x射线光电子能谱、原位掠入射x射线衍射、原位x射线发射谱、原位拉曼光谱、原位衰减全反射红外光谱、原位微分质谱、原位核磁中的一种或几种。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、(1)本发明提供的膜电极体系原位电解池适用性广、简便易得，具有优异的普适性和广泛的应用前景，可适用于x射线吸收谱测试、x射线光电子能谱、掠入射x射线衍射、拉曼光谱、衰减全反射红外光谱、微分质谱、核磁等多种谱学的电化学原位测试，避免了不同装置之间的更换和区别验证；

21、(2)本发明提供的膜电极体系原位电解池有助于采谱质量的提高，取消液层的设计能有效避免漏液和含气体的反应物/产物体系下，气泡溢出对实时原位采谱的严重干扰问题；

22、(3)本发明提供的膜电极体系原位电解池对适用环境的包容度高，膜电极的设计可有效密封，在10-7-103mbar的宽压力窗口都能稳定工作，相比含液层的原位池真正克服了超高真空下电化学原位谱学测试难题，尤其在水溶液本身的信号对采谱结果有干扰/掩盖的情况下优势明显；

23、(4)本发明提供的膜电极体系原位电解池相比以前溶液体系的原位池，更接近pem电解质装置的工况条件体系，有助于理解和调控pem电解装置各界面的反应机理及演化机制，是开发高性能pem电解装置强有力的武器。

技术特征：

1.一种用于电化学原位谱学测试的膜电极电解池，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的膜电极电解池，其特征在于，所述聚合物膜膜厚度为20-400μm，材料为聚电解质复合膜、双极膜、两性离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换树膜中的一种。

3.根据权利要求1所述的膜电极电解池，其特征在于，所述聚合物膜电极上负载催化剂的量为：0.02-8mg/cm2。

4.根据权利要求1所述的膜电极电解池，其特征在于，所述顶盖厚度为0.2-100mm，中间设置孔径为0.2-8mm的圆形或方形通光孔，通光孔与地面倒角为35-160°；顶盖材质为钛、铜、金、银、锌、不锈钢、钛合金、铝合金、铝镁合金、石墨片、玻碳片中的一种。

5.根据权利要求1所述的膜电极电解池，其特征在于，所述底板厚度为0.2-100mm，材质为钛、铜、金、银、锌、不锈钢、钛合金、铝合金、铝镁合金、石墨片、玻碳片中的一种；底板按需设置螺丝固定口，用于固定在不同的光谱仪器上。

6.根据权利要求1所述的膜电极电解池，其特征在于，所述垫片和螺丝材质为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸酯、乙烯─醋酸乙烯酯共聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种或几种。

7.如权利要求1-6之一所述的膜电极电解池在电化学原位谱学测试中的应用，其特征在于，具体是将膜电极电解池固定在谱学仪器上；将工作电极和对电极连接到电化学工作站，并进行电化学原位谱学测试。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，进行电化学原位谱学测试包括：原位x射线吸收谱测试、原位x射线光电子能谱、原位掠入射x射线衍射、原位x射线发射谱、原位拉曼光谱、原位衰减全反射红外光谱、原位微分质谱、原位核磁中的一种或几种。

技术总结
本发明属电化学和光谱学技术领域，具体为一种用于电化学原位谱学测量的膜电极电解池及其和应用。本发明电解池包括：作为工作电极的聚合物膜电极，用于负载目标的阴/阳极催化剂，是电化学反应发生的场所；作为工作电极集流体的顶盖，其中配有通光孔以供原位谱学测试通光采谱；作为对电极的集流体的底板，用于支撑电解池以及与各种谱学测试仪器连接；用作顺序连接的顶盖‑膜电极‑底盖中间的隔离垫片，用以防止短路。本发明能够实现多种电化学原位谱学测量，包括X射线吸收谱测试、X射线光电子能谱、掠入射X射线衍射、拉曼光谱、衰减全反射红外光谱、微分质谱、核磁的原位谱学测量，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：张波,黄睿,栗京京
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14