一种多用途电化学原位池

1.本发明属于电化学原位表征技术领域，具体涉及一种多用途电化学原位池。


背景技术：

2.原位(operando)表征技术是近年来发展起来的一项检测技术，在非均相催化领域机理探究方面，扮演着重要的角色。原位表征最重要的特点在于利用不同的仪器对特定的反应进行“在线”的分析，在化学反应进行时实时观测反应状态下反应的过程以及催化剂的结构、形态等性质，有助于认识真正的反应机理。经过多年的发展，基于同步辐射的红外光谱(sr-ftir)、拉曼光谱(raman)、x射线衍射(xrd)和同步辐射x射线吸收谱(xafs)成为现今科研工作者最重要的几种研究催化剂结构演变以及反应机理的手段。目前，人们对应不同的表征手段分别研制了相应的原位池。这些原位池共同的特点是工作电极被放置在透明光窗的正下方，工作电极距离光窗有一段间距，并在工作状态时被电解液所填充。此外，单个原位池都造价昂贵。如果能设计一个多功能原位池，避免工况测试条件下电解液对x射线或者红外的吸收，还能集合多种测试模式为一体，能极大改善目前原位电化学检测的方便性和灵敏度。然而目前还缺乏这方面的研究技术。
3.目前，分别用于红外光谱(ir)、拉曼光谱(raman)、x射线衍射(xrd)、同步辐射x射线吸收谱(xafs)检测的原位池都造价不菲。但是对于科研工作者来说，为了研究清楚一个反应机理，往往需要多种原位表征手段相结合。这就需要同时准备多个原位池，增加了经济负担与实验的繁琐性。此外，目前市面上在售的原位红外和原位xrd原位池大部分采用的是外反射模式，即工作电极和窗口之间会有一层水膜，测试光路必须经过水层，但是水层对红外和x射线严重吸收，导致采集信号严重被削弱。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种集红外光谱(ir)、拉曼光谱(raman)、x射线衍射(xrd)和同步辐射x射线吸收谱(xafs)一身的多用途电化学原位池，以解决现有技术中普通原位电化学池功能单一、水层对红外和x射线严重吸收的问题。此外，在拉曼和红外测试模式时，可以在工作电极上镀一层金属网格状结构，纳米金属具有表面增强效应，可得到电催化剂吸附态产物以及中间产物信息。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种多用途电化学原位池，包括池体以及与池体拆卸式连接的上盖，池体的侧壁安装有对电极和参比电极；上盖的中部开设有通孔；池体的中部具有开口向上的蓄液反应槽，池体具有与蓄液反应槽连通的进液孔和出液孔；进液孔连接有电解液进液管，出液孔连接有电解液出液管；蓄液反应槽的上方覆盖有片状工作电极，池体的顶面外侧对称开设有一对凹槽，凹槽内放置有弹簧电极，弹簧电极的一端与片状工作电极的底面接触，弹簧电极为普通商用弹簧电极，能够与工作电极很好接触并且避免挤压导致工作电极碎裂；本发明提供的多用途电化学原位池中片状工作电极作为视窗直接隔绝电解液和空气，使光直接通
过窗口与催化剂接触，避免水层对信号的干扰，针对不同的原位表征方式，所选取片状工作电极的材料与设计不同，具体所列如下：
7.当用于原位xrd与原位xafs表征时，片状工作电极的材质为玻碳片，由于玻碳是一种无定形的碳材料，其对x射线的吸收很低，故适合作为以x射线为基础的原位xrd和原位xafs表征。
8.当用于同步辐射原位红外表征时，片状工作电极包括衬底，衬底的材质为单晶硅(si)，单晶硅在红外波段具有很好的透光性能，是目前应用最广的红外光学窗口材料。在单晶硅上先使用光刻法在中间区域光刻出金属网格状区域，此区域作为样品负载区域，在上面滴涂上电催化剂，作为原位测试样品反应区域。此设计最大的优势是一方面可以使入射光可以直接和样品接触，减少信号损耗；此外，金属网格结构这种独特的粗糙的纳米阵列结构能够激发局域等离子激元从而引起电磁增强，对拉曼与红外信号有一定的增强作用，能极大增强反应中间体的微弱信号。此外在旁边化学镀或真空镀一层纳米金属膜，此区域连接金属网格状区域作为导电区与弹簧电极接触，整个电极作为工作电极。进一步优选的，金属网格状区域和纳米金属膜的材质相同，为贵金属或者过渡金属。进一步的，贵金属可为金、银或铂等；过渡金属可为铜。
9.当用于同步辐射原位拉曼表征时，与上述同步辐射原位红外表征相似，区别在于衬底的材质为蓝宝石或者石英，其他结构相同。由于拉曼光谱仪在可视区内使用激光，因为石英或高级别蓝宝石具有非常好的透光性能，故常用作拉曼测试窗口材料选用蓝宝石或石英。
10.作为优选的技术方案，为增加池体的密封性，池体在蓄液反应槽的外围形成有环形浅槽，环形浅槽内放置有密封圈。进一步的，池体的底部具有底座，底座上具有螺纹孔，上盖和底座之间通过螺栓连接。
11.本发明的有益效果如下：
12.(1)本发明提供的多用途电化学原位池设计有片状工作电极，通过片状工作电极作为窗口直接隔绝电解液和空气，测试前将测试样品直接负载在片状工作电极表面，使得测试过程中光直接通过片状工作电极与催化剂接触，光路不需要经过水层，避免水层对信号的干扰，从而大大降低电解液对x射线和红外射线吸收干扰等缺点，确保所得数据真实可靠。
13.(2)本发明针对不同的表征技术特点替换不同的工作电极材料，从而设计出一个集红外光谱(ir)、拉曼光谱(raman)、x射线衍射(xrd)和同步辐射x射线吸收谱(xafs)一身的原位池，解决目前原位池功能单一的问题。
14.(3)本发明提供的原位池不存在特定光路和视窗设计，加工成本低，使用方便，节约了时间成本和价格成本。
15.(4)本发明提供的多用途电化学原位池当用于同步辐射红外和拉曼原位表征时，通过在工作电极中间制造出金属网格状区域，进而将样品涂载在此区域，这样既不遮挡测试光路，也能够对拉曼和红外信号进行增强，从而具有表面增强效应，可得到电催化剂吸附态产物以及中间产物信息。
附图说明
16.图1为本发明提供的多用途电化学原位池的结构示意图；
17.图2为图1的爆炸图；
18.图3为池体的结构示意图；
19.图4为多用途电化学原位池用于同步辐射原位红外表征时片状工作电极的底面结构示意图；
20.图5为图4中a部放大图；
21.附图标记：1-上盖，101-通孔，2-池体，201-蓄液反应槽，202-凹槽，203-环形浅槽，3-底座，301-螺纹孔，4-螺栓，5-对电极，6-参比电极，7-电解液进液管，8-电解液出液管，9-片状工作电极，10-弹簧电极，11-密封圈，12-衬底，13-金属网格状区域，14-纳米金属膜。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作更进一步的说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。此外，以下实施例中的部件如无特别说明的，均为本领域现有技术中的常规结构，因此，不再详细赘述。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.参考图1至图5，一种多用途电化学原位池，从上至下包括上盖1、池体2和底座3，底座3上具有螺纹孔301，上盖1和底座3之间通过螺栓4连接。上盖1的中部开设有通孔101，用于检测时供光线通过，光线通过通孔时直接照射在片状工作电极9上；池体2可选用peek材质，池体2的侧壁安装有对电极5和参比电极6；池体2的中部具有开口向上的蓄液反应槽201，池体2具有与蓄液反应槽201连通的进液孔和出液孔；进液孔连接有电解液进液管7，出液孔连接有电解液出液管8，通过电解液进液管7、电解液出液管8即可向蓄液反应槽201内输入电解液或者将电解液从蓄液反应槽201内排出；蓄液反应槽201的上方覆盖有片状工作电极9，池体2的顶面外侧对称开设有一对凹槽202，凹槽202内放置有弹簧电极10，弹簧电极10的一端与片状工作电极9的底面接触；为增加池体的密封性，池体2在蓄液反应槽201的外围形成有环形浅槽203，环形浅槽203内放置有密封圈11。本发明提供的多用途电化学原位池中片状工作电极9作为视窗直接隔绝电解液和空气，使光直接通过窗口与催化剂接触，避免水层对信号的干扰，针对不同的原位表征方式，所选取片状工作电极9的材料与设计不同，具体如下：
26.在一个实施例中，当该原位池用于原位xrd与原位xafs表征时，片状工作电极9的材质为玻碳片。使用前，在玻碳片上滴涂或电沉积上电催化剂，然后使负载有催化剂的一侧朝下进行装配即可用于原位xrd与原位xafs表征。
27.在另一个实施例中，当该原位池用于同步辐射原位红外表征时，片状工作电极9包括衬底12，衬底12的材质为单晶硅，单晶硅的中间区域光刻有金属网格状区域13，此区域作为样品负载区域，在上面滴涂上电催化剂，作为原位测试样品反应区域。在该区域旁边化学镀或真空镀一层纳米金属膜14，此区域连接金属网格状区域13作为导电区与弹簧电极10接触，整个电极作为工作电极。进一步的，金属网格状区域13和纳米金属膜14的材质相同，为贵金属或者过渡金属；具体可为金、银、铂、铜等，在具体应用中，本领域技术人员可根据实际需求，选择相应的金属进行应用。
28.该原位池还可用于同步辐射原位拉曼表征，当用于同步辐射原位拉曼表征时，原位池的结构与上述用一个同步辐射原位红外表征时的相似，区别仅在于衬底12的材质为蓝宝石或者石英，其他结构均相同。
29.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种多用途电化学原位池，其特征在于：包括池体以及与池体拆卸式连接的上盖；所述池体的中部具有开口向上的蓄液反应槽，所述蓄液反应槽的上方覆盖有片状工作电极；所述池体的顶面外侧对称开设有一对凹槽，所述凹槽内放置有弹簧电极，所述弹簧电极的一端与片状工作电极的底面接触；所述上盖的中部开设有通孔；所述池体的侧壁安装有对电极和参比电极。2.根据权利要求1所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述片状工作电极的材质为玻碳片。3.根据权利要求1所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述片状工作电极包括衬底，所述衬底的中部光刻形成有用于负载样品的金属网格状区域，所述衬底在所述金属网格状区域的外周侧镀覆有纳米金属膜，所述纳米金属膜与金属网格状区域连接，且所述纳米金属膜与弹簧电极接触；所述金属网格状区域和纳米金属膜的材质相同，为贵金属或者过渡金属。4.根据权利要求3所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述贵金属为金、银或铂。5.根据权利要求3所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述过渡金属为铜。6.根据权利要求3至5任一项所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述衬底的材质为单晶硅。7.根据权利要求3至5任一项所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述衬底的材质为蓝宝石或者石英。8.根据权利要求1至5任一项所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述池体具有与蓄液反应槽连通的进液孔和出液孔；所述进液孔连接有电解液进液管，所述出液孔连接有电解液出液管。9.根据权利要求8所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述池体在所述蓄液反应槽的外围形成有环形浅槽，所述环形浅槽内放置有密封圈。10.根据权利要求8所述的多用途电化学原位池，其特征在于：所述池体的底部具有底座，所述底座上具有螺纹孔，所述上盖和底座之间通过螺栓连接。

技术总结
本发明公开了一种多用途电化学原位池，包括池体和上盖；池体的中部具有蓄液反应槽，蓄液反应槽的上方覆盖有片状工作电极；池体的顶面放置有弹簧电极；上盖的中部开设有通孔；池体的侧壁安装有对电极和参比电极。本发明提供的多用途电化学原位池通过片状工作电极作为窗口直接隔绝电解液和空气，使得测试过程中光直接通过片状工作电极与催化剂接触，光路不需要经过水层，避免水层对信号的干扰，从而大大降低电解液对X射线和红外射线吸收干扰等缺点，确保所得数据真实可靠。本发明提供的原位池通过选用不同的片状工作电极可用于不同的表征技术，解决目前原位池功能单一的问题，且该原位池结构简单，加工成本低，使用方便。使用方便。使用方便。


技术研发人员：谈浩 王超 闫文盛
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/11