[发明专利]一种用于超重力电化学反应的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于特殊条件下的电化学反应技术领域，特别是提供了一种用于超重力电化学反应的装置及其方法。

背景技术

超重力技术是一种具有传质效率高、液泛低、能耗低、设备集约化等优点的新技术。超重力条件下，重力加速度g很大，两相接触的动力因素即浮力因子Δ(ρg)很大，流体相对滑移速度大，巨大的剪切应力克服了表面张力，使相界面快速更新，液体伸展出巨大的相际接触表面，从而极大地强化传质过程。超重力技术在油田注水脱氧(石油化工，1994，23：807-812)、废气中SO₂和H₂S的脱除(CN101037630，2007)、纳米材料的制备(CN1636944，2005)、除尘过程(CN2650859，2004)和生化反应过程的强化(生物化学工程，1991，122-128)等方面已经得到广泛研究和应用。

基于超重力技术的优点，将其应用到电化学反应过程中，有可能达到强化电化学反应速度、降低反应过电位和改善产物性能的目的。早在1964年，T.B.Hoover(US3119759，1964)就已提出了利用超重力来强化气体(氧气、氢气等)电化学析出反应的设想，但他未进行实验验证，因此也没有引起科学界的广泛关注。仅仅近十年来，超重力在电化学反应方面的研究才逐渐引起了人们的重视，日本学者Sato(Mater.Sci.Forum，1998，289/292：459-464)研究了重力系数1-39g时，超重力对铜电化学腐蚀的影响；M.Atobe(Electrochimica Acta，2004，50：977-984)研究了最大重力系数为300g时，超重力对电沉积导电聚合物的形成速度及其性能的影响；H.Cheng(JElectroanal.Chem.，2003，544：75-85)研究了超重力对氯碱电解和水电解制氢过程的影响；A.Eftekhari(Microelectron.Eng.，2003，69：17-25)则发现超重力可强化Si基体表面化学镀Cu的速度和质量。我们对超重力条件下化学沉积金属箔(Mater.Lett.2005，59(6)：667-670)和电解制金属箔(Chinese Sci.(E)，2007，50(1)：39-50)进行了研究，发现超重力可改变金属箔的组织结构，并可改善金属箔的机械性能；通过对超重力氯碱电解和水电解(物理化学学报，2008，34(3)：520-526)的研究，我们建立了超重力系数与电解槽电压之间的关系式，并对超重力增强氢气析出反应的动力学特征进行了分析。

尽管超重力对电化学反应速度和产物性能的强化作用已被研究者认可，但目前超重力电化学研究进展缓慢，仍停留在探索阶段。适合进行超重力电化学反应研究的方法和装置的缺乏是限制超重力电化学发展的主要问题，因此营造稳定的超重力环境并实现电化学反应在超重力场中顺利进行，以促进超重力在电化学工业中的发展是急待解决的难题，这是因为在常规重力条件下一些成熟的实验技术和控制方法在超重力电化学研究过程中已经不再完全适用，并且现有的商业化设备或者缺乏某些技术功能，或者不同系统间难以整合等原因，无法满足超重力电化学科学发展的需要。国外一些从事超重力电化学研究的机构在建立实验装置时，仅以能满足初步的电化学实验为目的，没有建立成熟的超重力电化学反应方法和标准的超重力电化学反应装置的组装方式，反应装置中电化学信号和温度信号的传输精度还不能满足要求，而对于电极表面反应状态的监控及电化学反应体系中气体收集和气氛控制更是无能为力；而目前国内其他科研院校对超重力电化学反应的装置和方法的研究还处于空白阶段。因此为探索超重力电化学过程的规律性，并进一步实现超重力在电化学领域的应用，建立合适的超重力电化学反应方法及装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超重力电化学反应的装置及其方法，在超重力场中进行电化学反应，能够同步实现电化学信号传输、温度控制、反应器内气体收集及气氛控制、电极表面反应状态监控等功能。

本发明的装置包括：离心机，强电传输系统、弱电传输系统，气体传输系统，图像采集系统，电解槽体系和电化学反应控制系统。

弱电传输系统、强电传输系统和气体传输系统安装在离心机主轴上。弱电传输系统、强电传输系统和气体传输系统固定在离心机主轴上；电化学反应控制系统和图像采集系统经弱电传输系统与电解槽体系连接；气体传输系统通过导气管和电解槽体系连通；强电传输系统通过强电输入导线与电解槽内的加热棒连接。