[發明專利]一種通過斬光控制光電極表面氣泡行為的裝置與方法

有效

• 申請號: 201710459605.0
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107202791B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 郭烈錦;曹振山;王曄春;胡曉瑋;陳娟雯
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開了一種通過斬光控制氣泡在光電極表面行為的裝置與方法，該方法能夠控制氣泡在壁面附近的行為，包括反彈、碰撞、滑移、合并和脫離直徑變小等行為。具體特征在于，該裝置可在光電極表面產生連續均勻的氣泡，通過斬光控制氣泡生長脫離特性；通過斬光控制電極表面的氣泡發生反彈行為，且反彈次數與頻率可調；通過斬光控制氣泡碰撞壁面并在壁面滑移與合并；通過攝像系統記錄氣泡行為，可以分析氣泡的行為信息，為氣泡在斬光過程中的受力分析提供了有效手段。因此，本發明提出的這種裝置與方法，能夠有效控制氣泡在電極表面附近的動力學行為與特性，從而有效控制氣泡行為對于體系的傳熱傳質效率的影響，在應用中十分靈活，可重復性極強。

技術領域

本發明屬于光催化及多相流交叉技術領域，具體涉及光催化過程中光電極表面氣泡行為的控制及記錄裝置與方法，特別涉及到一種通過斬光控制氣泡在光電極表面行為的裝置與方法。

背景技術

光催化/光電催化分解水制氫是一種非常有前景的獲得無碳能源的有效途徑，而在分解水過程中發生在電極表面的氣泡析出現象是質量傳遞或熱量傳遞過程的直觀反映，往往成為影響工業過程、體系效率的關鍵。光陽極水氧化反應作為限速步驟決定了分解水的效率，該反應驅動氧氣泡的生長，是發生在光電極固液表面典型的物理化學過程。研究電極表面析出氣泡的動力學特性對于理解光電化學反應過程中界面相互作用和反應產物的輸運提供了一種有效方法。人們基于沸騰、電解等特殊工業過程中的氣泡析出現象，對氣泡的生長、脫離等過程的物理機制，及氣泡現象對系統效率影響兩方面展開了廣泛地研究，但對氣泡和界面之間的相互作用機制缺乏關注。

目前對于氣泡在壁面附近的運動，大多數學者通過注氣或者加熱液體的方式產生氣泡，研究上升氣泡在垂直壁面附近的動力學行為或上升的氣泡與水平壁面或者傾斜壁面的碰撞反彈現象，包括氣泡的運動軌跡、速度和變形等，也研究在此過程中氣泡與壁面的相互作用對系統傳熱傳質的影響；也有學者通過光催化/光電催化分解水的方式在電極表面產生氣泡，研究氣泡的生長脫離或合并滑移等行為對體系反應產物輸運或者對催化反應效率的影響。而通過光催化/光電催化分解水在垂直壁面產生氣泡，并由外部斬光控制氣泡在壁面發生碰撞、反彈、滑移、合并和脫離直徑變小等行為，從而對系統的傳熱傳質及催化反應效率產生影響的研究未見有正式報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過斬光控制氣泡在光電極表面反彈行為的裝置與技術方法。利用該裝置與方法能夠通過斬光系統對激發光源進行斬光，而電子快門的開關時間可調節，從而有效控制氣泡在電極表面的動力學行為與特性，進而控制氣泡對體系的傳質換熱及反應效率的影響。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種通過斬光控制光電極表面氣泡行為的裝置，包括光源系統、斬光系統、反應系統和攝像系統，其中光源系統包括激光器和聚焦透鏡，斬光系統包括電子快門和精密定時器，反應系統包括反應池和電化學工作站，攝像系統包括高速攝像和顯微鏡，所述光源系統產生激發光束，聚焦后的光束通過斬光系統，被斬光的激發光束入射到反應系統，攝像系統記錄反應系統中產生的氣泡行為。

進一步地，激光器、聚焦透鏡和電子快門加裝在精密共軸光學導軌上，電子快門連接精密定時器，入射光源與反應池內的TiO₂光電極垂直，攝像系統安裝在三維調節架上，高亮度LED燈正對攝像系統。

一種基于通過斬光控制光電極表面氣泡行為的裝置的方法，包括以下步驟：

步驟一，調節光源系統和反應系統，使電極表面連續均勻地產生氣泡；

步驟二，利用斬光系統對光源進行斬光，調節快門開關時間0.01s-9999s，得到對應的氣泡行為；

步驟三，攝像系統從反應池側面對電極表面產生的氣泡行為進行拍攝，高亮度LED燈正對攝像機進行補光；

步驟四，導出攝像系統記錄的氣泡圖片，用圖像處理軟件分析氣泡行為。