电化学原位拉曼光谱反应池

1.本发明涉及能源催化材料研究领域，具体地说是一种电化学原位拉曼光谱反应池。


背景技术：

2.拉曼光谱是一种广泛用于研究分子基本振动的光谱方法，可与光谱数据库的材料特征光谱进行比较和鉴定，有助于深入了解化学反应过程和机理，而且拉曼光谱采集数据十分快速，是一种非破坏性的技术，广泛用于原位在线检测，比如电化学反应中电极表面分子微观结构信息及其表面化学反应过程等信息，可通过检测反应产物来评估能源催化材料的工作效率。因此，不论是科学研究，或是化工生产，对于原位拉曼的需求越来越大。
3.将拉曼光谱用于研究原位电化学反应仍然处于起步阶段，这种方法主要是利用电极表面活性物质分子与单色光光子发生碰撞，通过检测拉曼位移的变化与电流强度因素的变化关系来判断电化学反应的过程和机理。拉曼光谱在数据采集过程对被测样品的稳定性有极高的要求，很多因素会直接损害原位光谱数据的准确性和可靠性，例如原位反应池的结构不稳定、电极片发生形变、化学反应产生气泡无法及时排出等。此外，荧光干扰、液体和气体流动的影响也会严重影响拉曼光谱信号的强度。
4.现阶段常见的电化学原位拉曼反应池的结构相对简单，主要由工作电极、对电极和参比电极组成，同时预留通气气路及光学窗口(进行光谱测试)，而为了尽量避免溶液信号的干扰,常采用薄层溶液(电极与窗口间距为0.1～1mm)，即使这样，其对于液体流速和气体流速限制比较严苛，因为液体快速流动和气体的快速扩散都会对拉曼信号产生较大的干扰。另外原料气或原料液的供给不足会阻碍化学反应的反应速率，无法还原真实电化学反应的过程，具有较大的局限性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电化学原位拉曼光谱反应池，能够在保证气体扩散效率和溶剂均匀性的同时，降低对光谱测试中信号收集的干扰，可有效提高拉曼光谱捕获电化学原位反应过程中的中间体和目标产物信息的效率。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种电化学原位拉曼光谱反应池，包括反应池本体，且所述反应池本体内设有参比电极、对电极和工作电极，所述反应池本体上侧设有聚焦透镜光学窗口，所述反应池本体底部设有埋气管和磁力转子，且所述磁力转子位于埋气管下方，所述埋气管一侧设有伸出至反应池本体外部的进气管，所述埋气管上侧均布有多个出气孔，所述反应池本体上端设有排气管，所述反应池本体的池壁内部和池底内部设有水冷管路，另外所述反应池本体内设有热电偶，且所述热电偶位于工作电极下方。
8.所述埋气管呈环状设于反应池本体底部，所述磁力转子位于环状埋气管中部。
9.所述埋气管上侧表面设有单向透气膜，所述进气管设有进气截止阀。
10.所述排气管位于所述聚焦透镜光学窗口一侧，所述排气管上设有排气截止阀。
11.所述反应池本体底部设有一个凹口形成磁子井，所述磁力转子设于所述磁子井中，所述磁子井上侧井口设有聚四氟乙烯包裹的金属网。
12.所述反应池本体一侧池壁上端设有带进水控制阀的进水口与所述水冷管路连通，另一侧池壁上端设有带出水控制阀的出水口与所述水冷管路连通。
13.所述反应池本体池底内部水冷管路位于所述磁子井下方。
14.本发明的优点与积极效果为：
15.本发明利用聚焦透镜光学窗口代替现有技术中的平面光学窗口，能够显著提高显微镜物镜收集拉曼信号的效率，增加显微镜物镜工作距离，埋气管设计和磁力转子搅拌功能可保证气体扩散效率和溶剂均匀性，同时降低对光谱测试中信号收集的干扰，并且保证原料气供应，而热电偶可实现精确的温度控制，有助于研究温度等原因对电化学催化反应的影响。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图，
17.图2为现有技术中反应池采用的平面光学窗口工作状态示意图，
18.图3为图1中本发明采用的聚焦透镜光学窗口工作状态示意图，
19.图4为图1中埋气管的俯视图，
20.图5为图1中水冷管路结构示意图，
21.图6为本发明一个实施例的反应测试结果示意图。
22.其中，1为反应池本体，2为参比电极，3为对电极，4为埋气管，401为进气管，402为出气孔，403为进气截止阀，5为金属网，6为磁力转子，7为热电偶，8为工作电极，9为水冷管路，901为进水控制阀，902为出水控制阀，10为聚焦透镜光学窗口，11为排气管，111为排气截止阀，12为磁子井。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步详述。
24.如图1所示，本发明包括反应池本体1，且所述反应池本体1一侧池壁上插装有参比电极2和对电极3，另一侧池壁上插装有热电偶7和工作电极8，且所述热电偶7设于工作电极8下方，所述反应池本体1上侧设有聚焦透镜光学窗口10，所述反应池本体1底部设有埋气管4和磁力转子6，且所述磁力转子6位于埋气管4下方，所述埋气管4一侧设有伸出至反应池本体1外部的进气管401，所述埋气管4上侧均布有多个出气孔402，所述反应池本体1上端设有排气管11，另外所述反应池本体1的池壁内部和池底内部设有水冷管路9。
25.如图2～3所示，本发明采用聚焦透镜光学窗口10，其表面形成的拉曼散射光向中间汇聚，相比于现有技术中的平面光学窗口形成的拉曼散射光，本发明能够显著提高显微镜物镜收集拉曼信号的效率，增加显微镜物镜工作距离。
26.如图1和图4所示，所述埋气管4呈环状设于反应池本体1底部，所述磁力转子6则位于环状埋气管4中部，气体经由所述进气管401进入埋气管4后经由各个出气孔402向上流出，所述埋气管4设计可降低气流扰动，同时也降低气体横向扩散时对光线测试的干扰。所
述埋气管4上侧表面设有单向透气膜，保证透气同时防止液体漏入埋气管4中，本实施例中，所述单向透气膜材质为膨化聚四氟乙烯。另外如图1所示，所述埋气管4的进气管401设有进气截止阀403控制进气，并控制气体只能单向流入。本实施例中，所述埋气管4为聚四氟乙烯气管。
27.如图1所示，所述反应池本体1上侧设有排气管11，且所述排气管11位于所述聚焦透镜光学窗口10一侧，不影响光入射，所述排气管11突出于反应池本体1上表面设置利于气体排出，所述排气管11通过管路与废气收集处理装置连接。另外如图1所示，所述排气管11上设有排气截止阀111控制排气，并控制气体只能单向流出。
28.如图1和图5所示，所述反应池本体1底部设有一个凹口形成磁子井12，所述磁力转子6设于所述磁子井12中，所述磁力转子6转动搅拌电解液使固定体积溶液或低流速溶液实现均匀分布，所述磁子井12设于反应池本体1底面下方，在限定磁力转子位移的同时也降低磁场干扰电化学反应，另外所述磁子井12上侧井口设有高密度的聚四氟乙烯包裹的金属网5屏蔽磁感线，进一步降低磁场干扰同时不影响液体流动。本实施例外置ika磁力搅拌器驱动所述磁力转子6实现磁力搅拌，所述ika磁力搅拌器和磁力转子6均为市购产品。
29.如图1和图5所示，反应池本体1的池壁内部和池底内部设有水冷管路9，且所述反应池本体1池底内部水冷管路9位于所述磁子井12下方，所述反应池本体1一侧池壁上端设有带进水控制阀901的进水口与所述水冷管路9连通，另一侧池壁上端设有带出水控制阀902的出水口与所述水冷管路9连通。
30.如图1和图5所示，所述热电偶7设于工作电极9下方h距离处，本实施例中，h＝1mm，所述热电偶7用于反应池本体1内部水域的温度测量，以实现反应池降温、恒温等控制。本实施例中，所述反应池本体1池壁上设有毛细石英管，所述热电偶7设于所述毛细石英管中。所述热电偶7为市购产品。
31.本发明的工作原理为：
32.如图1～5所示，本发明利用聚焦透镜光学窗口10代替现有技术中的平面光学窗口，能够显著提高显微镜物镜收集拉曼信号的效率，增加显微镜物镜工作距离，并且本发明在反应池本体1底部设有埋气管4和磁力转子6，所述埋气管4设计可降低气流扰动，同时也降低气体横向扩散时对光线测试的干扰，所述磁力转子6转动搅拌电解液使固定体积溶液或低流速溶液实现均匀分布，另外工作电极9下方设置热电偶7能够实现精确的温度控制，并且有助于研究温度等原因对电化学催化反应的影响。
33.本发明可用于拉曼光谱和红外光谱等光谱学的原位表征，下面列举一个应用例进一步说明。
34.应用例一：
35.利用电化学还原制备有价值的燃料和化学品的研究中，通过消耗co2生成多碳产品。但是大部分二氧化碳可能在电催化过程与氢氧化物反应形成碳酸盐，而非醇类或烯烃类产品。例如在恒定温度300k的条件下，对反应池本体1进行充气co2，利用磁力转子6搅拌，提高co2气体在点解液中的均匀性并提高饱和气压，铜催化剂(涂在碳纸上，未进行任何处理)在khco3电解液中，伴随施加电位的变化，在催化剂原位观测化学反应过程，捕获中间产物和最终产物信息，测试结果如图6所示。其中催化反应的中间体的吸附状态：282cm-1
和352cm-1
分别表示cu对co的吸附作用；1070cm-1
、1540cm-1
和2060cm-1
位置处的峰强度随着电
位的施加而出现，但是，随着电位的去除又恢复到原有的状态，证明此位置处代表催化剂对中间物种的吸附，其中1070cm-1
代表催化剂对co
32-的吸附信号，1540cm-1
代表催化剂对cooh的吸附信号，2060cm-1
代表催化剂对co的吸附信号。上述结果表明本设计电化学原位拉曼光谱反应池可有效提高拉曼光谱捕获电化学原位反应过程中的中间体和目标产物信息的效率。