[发明专利]一种电化学原位X射线谱学电解池及其测试方法和应用

说明书

本发明属于电催化和X射线光谱学技术领域，具体为一种电化学原位X射线谱学电解池及其检测方法和应用。本发明电解池包括：顶盖，用作工作电极集流体和通光孔；聚合物膜电极，用于承载待测样品；池体，储存电解质，为电解反应的场所；底座，用于安置辅助电极，密封电解液，支撑所述池体并与各类X射线光谱仪连接；所述顶盖、聚合物膜电极、池体和底座顺序叠加密封。本发明解决了高真空条件下电化学原位软X射线光谱测试的困难，能够实现高真空条件下电催化剂与电极材料的原位电化学X射线光电子能谱测量，软X射线吸收谱测量。所述电解池可用于膜电极组件的原位电化学拉曼光谱和衰减全反射红外光谱的测量。

技术领域

本发明属于电催化和X射线光谱学技术领域，具体涉及一种电化学原位X射线谱学电解池及其检测方法和应用。

背景技术

随着能源结构的调整与升级，利用可再生的清洁电能将水、二氧化碳、氮气等资源转化为氢气、碳基燃料和氨等高附加值化学品具有重要的实用价值。电化学反应与电催化剂在这一转化过程中起决定性作用。由于电催化反应涉及复杂的多步电子转移过程，目前使用的电催化剂仍面临活性较低、选择性差、稳定性不佳等多方面问题。理解电催化反应机理和电催化剂在反应过程中的演化对于设计开发高性能电催化剂至关重要。

各类X射线光谱学是人类研究物质组成与结构的重要手段。利用X射线的吸收、发射、散射、激发光电子等特征，可以对电催化剂的材料结构、电子结构、表面物种等进行详尽的探测，极大提升了对于复杂电化学界面的认识。而对于与电催化过程关系最密切的近表面物质状态的探测，则需要能量较低的软X射线波段。此类X射线谱学的测量往往需要在超高真空下进行。然而，电化学反应涉及到固、液、气三相界面，普通的高真空条件谱学测试由于脱离了真实的反应环境，得到的电化学界面谱图存在诸多的假象，极大影响了对于催化剂演化和催化反应机理的认知。因此，开发原位电化学X射线谱学表征技术迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可用于超高真空下电化学原位X射线谱学测量的电解池及其检测方法和应用。

本发明提供的电化学原位X射线谱学电解池，采用两电极或三电极体系；其中，工作电极为聚合物膜电极，与工业化的零隙电解槽接近；辅助电极与参比电极可根据测试需要更换；所述电解池可在10^-6-10⁴mbar的压力下稳定工作，无明显电解液渗漏，可满足各类软X射线谱学的测量；可耐受pH范围为0-14的腐蚀性电解液。所述电解池也可用于膜电极体系的电化学原位拉曼光谱测试。

本发明提供的电化学原位X射线谱学电解池，具体包括：

（a）顶盖，用作工作电极集流体，并提供通光孔；顶盖表面镀有厚度为10-100 nm的金膜，作为内标物；

（b）聚合物膜电极，用作工作电极，并用于承载待测样品；

（c）池体，用于储存电解液，为辅助电极反应的场所；池体上下两端面分别记为A面和B面；A、B两面均设置若干螺纹孔，分别用于连接顶盖与底座；池体A面有孔，用于向所述聚合物膜电极传递电解质；

（d）底座，安装有辅助电极和参比电极，底座用于密封电解液，并与各类X射线谱仪或拉曼光谱仪连接；

所述顶盖、聚合物膜电极、池体和底座顺序利用O型圈栓接密封。

本发明中，所述顶盖外形为方形或圆形，厚度0.5-10 mm，顶盖中部设置一方形或圆形通光孔，孔径0.1-5 mm，通光孔与底面倒角为30-150°。顶盖材质为铜、不锈钢、钛、石墨、玻璃碳、铝合金中的一种。在本发明的一个优选实施方案中，使用钛、石墨或玻璃碳作为顶盖加工材料。

进一步地，顶盖设置若干沉头螺纹孔，用于与池体进行固定。

进一步地，顶盖侧面设置一螺纹孔，用于引出工作电极电极接线。

优选地，顶盖表面金膜可利用热蒸镀、化学镀、电子束蒸发或磁控溅射镀制备。