[實(shí)用新型]基于光調(diào)控的光催化光電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320853609.4
• 申請(qǐng)日: 2013-12-23
• 公開（公告）號(hào): CN203630082U
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鳴魁;袁懷亮;張曉凡;張炳雁;申燕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/26
• 分類號(hào): G01N27/26
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光調(diào)控的光催化光電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長以及人民生活水平的提高，能源的消耗也急劇上升。伴隨著傳統(tǒng)的、不可再生的化石能源的不斷消耗，由其引發(fā)的環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展清潔可再生能源技術(shù)成為時(shí)代的重大課題。光催化技術(shù)可在不消耗能源的情況下利用太陽能，將水分解為氫氣或氧氣，同時(shí)可分解有機(jī)化合物和一些細(xì)菌、病菌等微生物，在制造能源的同時(shí)也緩解了環(huán)境污染等問題。

光催化劑作為光催化技術(shù)的主體，在光催化體系中起著決定性的作用，因此研究光催化劑的工作特性，以及分析各項(xiàng)性能指標(biāo)顯得極其重要。在光催化光電化學(xué)分解水制氫體系中，催化劑大都采用半導(dǎo)體材料（如TiO₂)，當(dāng)照射光的能量等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度（E_g）時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置，或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接復(fù)合。

例如，三電極體系中，用TiO₂光電分解水，在光照條件下，TiO₂吸收光子產(chǎn)生電子與空穴對(duì)，在電場的作用下，電子通過外電路傳輸?shù)綄?duì)電極，空穴相應(yīng)的留在工作電極。與H₂析出的電極電勢相比，TiO₂光生電子的電勢更負(fù)，從而在對(duì)電極發(fā)生還原反應(yīng)而析出氫氣，而光生空穴的電勢比水氧化生成氧氣的電勢相比更正，從而在工作電極發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生氧氣。

因此，光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)，以及在對(duì)電極和工作電極表面電子和空穴與電解液電荷交換（即氧化還原反應(yīng)）的速率將極大決定氫氣和氧氣的生成速率。此外，在光電催化反應(yīng)體系中，影響光電催化速率的因素主要還有催化劑、反應(yīng)液、光源的光譜與輻照度、反應(yīng)溫度和壓力等。催化劑作為測試表征的主體，為了表征其性能，在測試中控制其中的一些因素如壓力、溫度等，測試催化劑與反應(yīng)液間的光電化學(xué)工作特性可達(dá)到表征目的，這對(duì)光催化反應(yīng)的研究十分重要。同時(shí)光作為能量的最終來源以及催化的直接作用源，研究光對(duì)催化劑的影響作用特性顯得極具有意義。

目前，在光催化測試系統(tǒng)研究中，絕大多數(shù)的主要研究測試對(duì)象為光催化產(chǎn)生的氣體或者簡單的催化劑電化學(xué)特性。對(duì)溫度控制，特別是光源控制在光催化體系中的作用研究還存在欠缺。其中，以Zahner電化學(xué)工作站Zennium?IM6為基礎(chǔ)的CIMPS光電化學(xué)測試系統(tǒng),盡管處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，但存在以下缺點(diǎn)：（1）光源為LED燈，白色LED燈光譜與太陽光存在較大的差異；（2）單色光的調(diào)節(jié)通過不同的LED燈分別實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；（3）光調(diào)制的實(shí)現(xiàn)通過控制光源開關(guān)的開啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)，很難實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制，極大限制了斬光頻率，同時(shí)也縮短了光源的使用壽命；（4）成本高，操作復(fù)雜。

實(shí)用新型內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種基于光調(diào)控的光催化光電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)，能夠測試光催化劑在不同光照條件下的電化學(xué)特性，從而進(jìn)一步促進(jìn)光催化的研究與改進(jìn)，提高光催化效率，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，元件容易獲得，且成本低。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種光催化光電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽光模擬器、斬光器、測試模塊和控制器；所述太陽光模擬器包括氙燈、第一濾波片、聚光器和光電源，所述第一濾波片位于所述氙燈的正前方，所述聚光器包括石英玻璃投射組和球面反射鏡，位于所述第一濾波片的輸出光路上；所述斬光器包括第二濾波片和多孔轉(zhuǎn)盤，所述第二濾波片位于所述太陽光模擬器的輸出光路上，所述多孔轉(zhuǎn)盤的周向均勻分布多個(gè)通光孔，轉(zhuǎn)動(dòng)所述多孔轉(zhuǎn)盤，能分別使這些通光孔的中心與所述第二濾波片的輸出光路中心重合；所述測試模塊包括橫向平移軌道、橫向平移臺(tái)、縱向平移臺(tái)、標(biāo)定測試儀和電化學(xué)測試儀，所述橫向平移軌道與所述斬光器的輸出光路平行，所述橫向平移臺(tái)能沿所述橫向平移軌道移動(dòng)，所述縱向平移臺(tái)能沿與水平面垂直的方向移動(dòng)，通過移動(dòng)所述縱向平移臺(tái)，能使標(biāo)定電池或樣品位于所述斬光器的輸出光路中心；所述控制器通過所述光電源連接所述氙燈，所述控制器分別連接所述標(biāo)定測試儀和所述電化學(xué)測試儀。

優(yōu)選地，所述斬光器還包括馬達(dá)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電源，所述控制器通過所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電源連接所述馬達(dá)。