[發明專利]適用于氣固相電化學反應的反射式控溫紅外光譜原位池

有效

• 申請號: 202011381278.X
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112485199B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 楊永;朱靚;陳為;李桂花;李沛豪
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: G01N21/03
• 分類號: G01N21/03;G01N21/35;G01N21/3504;G01N27/26
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

本發明涉及一種適用于氣固相電化學反應的反射式控溫紅外光譜原位池，其特征在于，包括由上至下依次設置的上法蘭、中法蘭及基座法蘭。本發明為傅里葉紅外儀器設備提供了原位表征方法拓展，在應用上針對氣固相界面電化學的表面分析，解決現有電化學氣相反應雙電極池紅外光譜原位池的空白。本發明公開的在線原位反應池不但實現對室溫氣相電化學反應過程進行原位透射紅外高時間分辨率測試，而且滿足以不同溫度為參數的反應過程表征要求，溫度控制范圍最高達到150℃。本發明適用于理解氣相電化學反應中離子交換膜上催化劑表面中間產物向產物的轉化過程，也適用于燃料電池反應過程的模擬表征，同時該發明的結構也適用于其他光進光出方法對電化學氣相反應的原位表征。

技術領域

本發明涉及一種針對雙氣室反應的光進光出結構原位表征池。

背景技術

催化劑涉及全球30％的GDP包括絕大多數化工過程。反應物質與催化劑表面的相互作用是催化反應中的關鍵問題，理解該問題是改進催化劑并優化相關化工工藝的重要途徑。催化劑反應過程表征致力于在分子水平上了解催化劑的工作機制，其關鍵是研究催化劑在工作狀態下的結構變化，即原位表征。

光譜電化學是一種結合光譜技術和電化學技術的研究手段，在電化學過程中同時監測電化學產物信號和催化劑結構光譜信號，已經成為基于分子水平研究電化學過程的強有力技術。其中紅外光譜提供分子振動結構信息，在目前已有的催化研究手段中，紅外光譜技術已經發展為十分普遍和有效的方法，可以與熱脫附、質譜、色譜等近代物理方法在線聯合，獲得對催化作用更深入全面的了解；如果與電鏡(SEM/TEM)、原位XRD、熱分析技術聯合,可以用以對研究催化劑和功能材料體相組成結構的變化及表面官能團的變化。在電化學過程中，同步跟蹤反應物、中間體和生成物的結構信息，通過獲取的相關物種紅外吸收信號和電化學信號，從分子水平獲得電化學過程中的實時動力學信息。

其中催化劑主要參與陰極過程，涂布催化劑的離子交換膜陰極面以及其同側的氣相電化學反應陰極室是原位結構表征觀察對象。

紅外光譜電化學池是連接電化學和紅外光譜儀的重要接口，既要求重復普通電化學反應池的電化學行為，又要求提供紅外光譜儀信噪比好的紅外光譜圖，因此它的制備至關重要。以表面分析為使用目的的原位紅外池，其主要評價指標與以下幾點有關：

1、反射式結構：紅外信號的采集方式一般分為反射式和透射式兩種。由于氣相電化學反應僅關注離子交換膜陰極面一側，因此應采用反射式結構。但是反射式光路紅外光僅與材料發生有限次接觸吸收，對小覆蓋率物種響應低，受光路環境背景影響大，因此應考慮其他因素優化設計結構。

2、池內光程/死體積：原位紅外光譜的光路在反應池內必定會通過反應氣體，這一部分光程吸收帶來的背景影響，一方面整體減弱紅外光通量，另一方面對某些表面附著中間產物的信號產生覆蓋，因此對表面分析為目的的研究，其影響是負面的。此外，反應池體積越大，在反應氣體中的光程越長，也意味著相同流速下的反應池氣體切換時間也越長，即擴散極限將影響采譜周期內產物更新。對原位表征中至關重要的瞬態過程分析而言，從反應物A到B的轉換過渡時間越短越好。因此反應池內光程/死體積是紅外原位反應池的一個主導指標。

3、工作溫度范圍：溫度是電化學反應重要的參數。溫度相關的反應步驟與電化學反應的反應總體速率相關聯，如高溫下去除電極或者質子交換膜上影響實驗的雜質成分、提升質子交換膜遷移速率、改變電極表面吸附等。此外，較低的溫度條件提高反應中間體的穩定性，提高中間體的相關信號，對跟蹤電化學反應過程中物種變化、探究物質氧化還原反應歷程和反應機制，也具有十分重要的意義。因此，需要在合理范圍內調整溫度，達到反應和表征的最佳值。由上反應池允許的工作溫度范圍是原位紅外光譜電化學池顯而易見的指標。總體而言，氣相電化學反應的溫度上限較低，略高于100℃。