[发明专利]一种结合电化学的光谱测量方法

摘要

本发明涉及光化学及电化学领域，一种结合电化学的光谱测量方法，用于光谱测量装置包括高压直流电源、充电电阻、充电线、火花开关、电容、功率分配器、衰减器、传输线I、示波器、传输线II、支架、样品腔、光学测试仪、温度计、半导体制冷器、导热台和恒电位器，采用特制的样品及新颖高压脉冲施加方法，能够对样品进行高电压处理后，同时研究样品的电化学特性及光谱特性，施加到样品上的高压脉冲较为稳定，光谱测量时的光散射较低，光谱的信噪比高；样品腔平衡了电化学实验及光谱实验的需求，具有光反射功能的电极使得光的扩散路径长度较小，并保持了较低的光散射，高压脉冲生成方法较为简单，产生的高压脉冲无毛刺且抖动小。

主权项

1.一种结合电化学的光谱测量方法，用于光谱测量的装置包括高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、火花开关(4)、电容(5)、功率分配器(6)、衰减器(7)、传输线I(8)、示波器(9)、传输线II(10)、支架(11)、样品腔(12)、光学测试仪(13)、温度计(14)、半导体制冷器(15)、导热台(16)和恒电位器(17)，xyz为三维空间坐标系，所述高压直流电源(1)具有输出端正极和输出端负极，高压直流电源(1)输出电压范围为1kV到2kV，所述功率分配器(6)具有输入端、输出端I和输出端II，所述恒电位器(17)具有正极和负极，功率分配器(6)的输出端II依次电缆连接衰减器(7)、传输线I(8)和示波器(9)，所述样品腔(12)、支架(11)、半导体制冷器(15)和导热台(16)自上而下依次连接，支架(11)连接有温度计(14)，所述光学测试仪(13)位于样品腔(12)正上方，所述光学测试仪(13)能够发射出激光并对收集的光进行光谱分析，所述激光包括泵浦光和探测光；样品腔(12)包括腔体(12‑1)、平面镜(12‑2)、工作电极(12‑3)、对电极(12‑4)、垫圈(12‑5)、样品(12‑6)、透射窗(12‑7)、腔盖(12‑8)、参考电极(12‑9)、接头I(12‑10)和接头II(12‑11)，所述平面镜(12‑2)、工作电极(12‑3)、对电极(12‑4)、垫圈(12‑5)、样品(12‑6)和透射窗(12‑7)均位于腔体(12‑1)内，样品腔(12)的接头I(12‑10)和接头II(12‑11)分别连接恒电位器(17)的正极和负极，恒电位器(17)位于支架(11)内的样品腔(12)下方，高压直流电源(1)的输出端正极依次电缆连接充电电阻(2)、充电线(3)、火花开关(4)的触点II(4‑7)、火花开关(4)的旋转轴(4‑2)、电容(5)和高压直流电源(1)的输出端负极；所述火花开关(4)包括旋转马达(4‑1)、旋转轴(4‑2)、水平杆(4‑3)、触发电极I(4‑4)、两个触点I(4‑5)、触发电极II(4‑6)和两个触点II(4‑7)，旋转轴(4‑2)竖直安装于旋转马达(4‑1)上，水平杆(4‑3)中间连接于旋转轴(4‑2)，水平杆(4‑3)长度为120毫米，触发电极I(4‑4)和触发电极II(4‑6)均是边长为8毫米的正方体、且分别安装于水平杆(4‑3)的两端，所述旋转轴(4‑2)、水平杆(4‑3)、触发电极I(4‑4)和触发电极II(4‑6)在电学上导通；两个触点I(4‑5)是轴线沿y方向的相同的金属圆柱体，两个触点I(4‑5)间隔为10毫米且同轴排列，所述金属圆柱体高度为10毫米、底面直径为10毫米，触点I(4‑5)的轴线与旋转轴(4‑2)的轴线距离为64毫米，两个触点II(4‑7)均为相同的1/6圆弧形状的金属条，所述圆弧的圆心位于旋转轴(4‑2)的轴线上、且曲率半径为64毫米，两个所述金属条在y方向间隔10毫米且呈上下排列，两个触点I(4‑5)互相电学导通，两个触点II(4‑7)互相电学导通，旋转马达(4‑1)能够通过旋转轴(4‑2)使得水平杆(4‑3)在水平面内旋转，并使得触发电极I(4‑4)和触发电极II(4‑6)能够无接触地通过两个触点I(4‑5)之间的间隔及两个触点II(4‑7)之间的间隔；所述腔体(12‑1)是轴线沿y方向的圆柱桶形，平面镜(12‑2)是轴线沿y方向的圆柱形且位于腔体(12‑1)底部，平面镜(12‑2)直径为30毫米且由聚四氟乙烯材料制成，平面镜(12‑2)的上表面及侧面沉积制备有工作电极(12‑3)和对电极(12‑4)，工作电极(12‑3)和对电极(12‑4)均由金制成且厚度为500微米；腔体(12‑1)侧面具有两个通孔，接头I(12‑10)和接头II(12‑11)能够分别通过两个所述通孔与工作电极(12‑3)和对电极(12‑4)在平面镜(12‑2)的侧面紧密接触；垫圈(12‑5)由环氧树脂材料制成且位于平面镜(12‑2)的上表面，垫圈(12‑5)的外径为30毫米、内径为26毫米、厚度典型值为5至30微米，透射窗(12‑7)位于垫圈(12‑5)的上方，透射窗(12‑7)的直径为30毫米，样品(12‑6)置于垫圈(12‑5)的内径之内，腔盖(12‑8)安装于腔体(12‑1)上方，腔盖(12‑8)能够透光并能够将腔体(12‑1)密封，腔盖(12‑8)能够将透射窗(12‑7)、垫圈(12‑5)和平面镜(12‑2)之间压紧，腔盖(12‑8)和透射窗(12‑7)均具有y方向的过孔，参考电极(12‑9)能够通过所述过孔插入样品(12‑6)中，所述参考电极(12‑9)依次电缆连接电容(5)、火花开关(4)的旋转轴(4‑2)、火花开关(4)的触点I(4‑5)、功率分配器(6)的输入端、功率分配器(6)的输出端I、传输线II(10)和接头II(12‑11)，其特征是：所述一种结合电化学的光谱测量方法步骤为：步骤1，将样品(12‑6)加入样品腔(12)中，将腔盖(12‑8)安装至腔体(12‑1)并使得透射窗(12‑7)、垫圈(12‑5)和平面镜(12‑2)之间压紧；步骤2，开启高压直流电源(1)，通过充电电阻(2)和充电线(3)输出电压至火花开关(4)，开启旋转马达(4‑1)，旋转马达(4‑1)的转速范围为1000到5000转/分钟，火花开关(4)周期性地使得电容(5)与高压直流电源(1)导通或电容(5)与样品腔(12)导通，高压直流电源(1)对电容(5)充电与电容(5)对样品腔(12)放电的两个过程交替进行，持续5分钟；步骤3，关闭高压直流电源(1)，关闭旋转马达(4‑1)；步骤4，开启光学测试仪(13)，使光学测试仪(13)发射出的激光与透射窗(12‑7)上表面法向成0.5度角入射，并射到样品(12‑6)上，每个泵浦光脉冲的能量范围为4mJ到8mJ、持续时间为1皮秒，每个探测光脉冲的能量范围为0.5mJ到1mJ、持续时间为800飞秒，探测光脉冲相对于泵浦光脉冲的时间延迟为2到5皮秒；步骤5，调节恒电位器(17)，使得工作电极(12‑3)和对电极(12‑4)之间的电压差为V1，电压差V1范围从0到300mV，以对样品(12‑6)施加电化学电势，使得样品(12‑6)中出现第一种化学形态，光学测试仪(13)收集反射光，持续2分钟；步骤6，调节恒电位器(17)，使得工作电极(12‑3)和对电极(12‑4)之间的电压差为V2，电压差V2范围从300mV到800mV，以对样品(12‑6)施加电化学电势，使得样品(12‑6)中出现第二种化学形态，光学测试仪(13)收集反射光，持续2分钟；步骤7，重复进行上述步骤5和步骤6，所述重复连续进行十次，将光学测试仪(13)收集得到的反射光信息进行处理并平均，得到样品(12‑6)第一种化学形态和第二种化学形态的差分光谱。