基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，包括太陽光模擬器、斬光器、測試模塊和控制器；太陽光模擬器包括氙燈、第一濾波片、聚光器和光電源，第一濾波片位于氙燈的正前方，聚光器包括石英玻璃投射組和球面反射鏡，位于第一濾波片的輸出光路上；斬光器包括第二濾波片和多孔轉盤，第二濾波片位于太陽光模擬器的輸出光路上，多孔轉盤的周向均勻分布多個通光孔，轉動多孔轉盤，能分別使這些通光孔的中心與第二濾波片的輸出光路中心重合。該系統(tǒng)能夠測試光催化劑在不同光照條件下的電化學特性，從而進一步促進光催化的研究與改進，提高光催化效率，且結構簡單，元件容易獲得，成本低。
【專利說明】基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光催化【技術領域】，更具體地，涉及一種基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著人口和經(jīng)濟的增長以及人民生活水平的提高，能源的消耗也急劇上升。伴隨著傳統(tǒng)的、不可再生的化石能源的不斷消耗，由其引發(fā)的環(huán)境污染等問題日益嚴峻，發(fā)展清潔可再生能源技術成為時代的重大課題。光催化技術可在不消耗能源的情況下利用太陽能，將水分解為氫氣或氧氣，同時可分解有機化合物和一些細菌、病菌等微生物，在制造能源的同時也緩解了環(huán)境污染等問題。
[0003]光催化劑作為光催化技術的主體，在光催化體系中起著決定性的作用，因此研究光催化劑的工作特性，以及分析各項性能指標顯得極其重要。在光催化光電化學分解水制氫體系中，催化劑大都采用半導體材料(如TiO2),當照射光的能量等于或大于半導體的禁帶寬度(Eg)時，半導體價帶上的電子被激發(fā)躍遷到導帶，同時在價帶產(chǎn)生相應的空穴。由于半導體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置，或通過擴散的方式運動，與吸附在半導體催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接復合。
[0004]例如，三電極體系中，用TiO2光電分解水，在光照條件下，TiO2吸收光子產(chǎn)生電子與空穴對，在電場的作用下，電子通過外電路傳輸?shù)綄﹄姌O，空穴相應的留在工作電極。與H2析出的電極電勢相比，TiO2光生電子的電勢更負，從而在對電極發(fā)生還原反應而析出氫氣，而光生空穴的電勢比水氧化生成氧氣的電勢相比更正，從而在工作電極發(fā)生氧化反應而產(chǎn)生氧氣。
[0005]因此，光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)，以及在對電極和工作電極表面電子和空穴與電解液電荷交換(即氧化還原反應)的速率將極大決定氫氣和氧氣的生成速率。此外，在光電催化反應體系中，影響光電催化速率的因素主要還有催化劑、反應液、光源的光譜與輻照度、反應溫度和壓力等。催化劑作為測試表征的主體，為了表征其性能，在測試中控制其中的一些因素如壓力、溫度等，測試催化劑與反應液間的光電化學工作特性可達到表征目的，這對光催化反應的研究十分重要。同時光作為能量的最終來源以及催化的直接作用源，研究光對催化劑的影響作用特性顯得極具有意義。
[0006]目前，在光催化測試系統(tǒng)研究中，絕大多數(shù)的主要研究測試對象為光催化產(chǎn)生的氣體或者簡單的催化劑電化學特性。對溫度控制，特別是光源控制在光催化體系中的作用研究還存在欠缺。其中，以Zahner電化學工作站Zennium IM6為基礎的CMPS光電化學測試系統(tǒng)，盡管處理實驗數(shù)據(jù)的重復性較好，可實現(xiàn)自動化操作，但存在以下缺點:(1)光源為LED燈，白色LED燈光譜與太陽光存在較大的差異；(2)單色光的調(diào)節(jié)通過不同的LED燈分別實現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的復雜程度；(3)光調(diào)制的實現(xiàn)通過控制光源開關的開啟與關閉實現(xiàn)，很難實現(xiàn)快速調(diào)制，極大限制了斬光頻率，同時也縮短了光源的使用壽命；(4)成本高，操作復雜。
實用新型內(nèi)容
[0007]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，能夠測試光催化劑在不同光照條件下的電化學特性，從而進一步促進光催化的研究與改進，提高光催化效率，該系統(tǒng)結構簡單，元件容易獲得，且成本低。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽光模擬器、斬光器、測試模塊和控制器；所述太陽光模擬器包括氣燈、第一濾波片、聚光器和光電源，所述第一濾波片位于所述氙燈的正前方，所述聚光器包括石英玻璃投射組和球面反射鏡，位于所述第一濾波片的輸出光路上；所述斬光器包括第二濾波片和多孔轉盤，所述第二濾波片位于所述太陽光模擬器的輸出光路上，所述多孔轉盤的周向均勻分布多個通光孔，轉動所述多孔轉盤，能分別使這些通光孔的中心與所述第二濾波片的輸出光路中心重合；所述測試模塊包括橫向平移軌道、橫向平移臺、縱向平移臺、標定測試儀和電化學測試儀，所述橫向平移軌道與所述斬光器的輸出光路平行，所述橫向平移臺能沿所述橫向平移軌道移動，所述縱向平移臺能沿與水平面垂直的方向移動，通過移動所述縱向平移臺，能使標定電池或樣品位于所述斬光器的輸出光路中心；所述控制器通過所述光電源連接所述氙燈，所述控制器分別連接所述標定測試儀和所述電化學測試儀。
[0009]優(yōu)選地，所述斬光器還包括馬達和馬達驅(qū)動電源，所述控制器通過所述馬達驅(qū)動電源連接所述馬達。
[0010]優(yōu)選地，所述測試模塊還包括橫向平移驅(qū)動電源和縱向平移驅(qū)動電源，所述控制器通過所述橫向平移驅(qū)動電源連接所述橫向平移臺，通過所述縱向平移驅(qū)動電源連接所述縱向平移臺。
[0011]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果:
[0012]1、通過調(diào)整橫向平移臺的位置，采用不同的濾光片和斬波器，測試光催化劑在不同光照強度、不同光譜范圍以及不同頻率斬光等光照條件下的電化學特性。
[0013]2、光源光強和光譜范圍的標定與控制方便準確，能準確表征光對光催化劑的作用，從而進一步促進光催化的研究與改進，提高光催化效率。
[0014]3、系統(tǒng)結構簡單，元件容易獲得，成本低，且輸出與測試同步，保證測試精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型實施例的基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)結構圖；
[0016]圖2是多孔轉盤的結構圖；
[0017]圖3是本實用新型實施例的基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試方法流程圖；
[0018]圖4是標準太陽光和紫外光照射下斬光測試的樣品光電流密度-時間關系曲線；
[0019]圖5是標準太陽光照射下斬光測試的光電流密度-偏置電壓關系曲線；
[0020]圖6是標準太陽光照射下穩(wěn)態(tài)光測試的光電流密度-偏置電壓關系曲線；
[0021]圖7是標準太陽光照射下穩(wěn)態(tài)光測試計算得到的光電轉換效率-偏置電壓關系曲線。[0022]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1_太陽光模擬器，2-斬光器,3-測試模塊,4-控制器,5-氣燈,6-聚光器,7-光電源,8-散熱器,9-濾光片，10-多孔轉盤，11-馬達,12-馬達驅(qū)動電源，13-橫向平移臺軌道，14-橫向平移臺，15-橫向平移驅(qū)動電源，16-縱向平移臺，17-縱向平移驅(qū)動電源，18-標準娃基電池，19-標定測試儀，20-樣品，21-電化學測試儀。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0024]如圖1所示，本實用新型實施例的基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)包括太陽光模擬器1、斬光器2、測試模塊3和控制器4。
[0025]其中，太陽光模擬器I包括氣燈5、第一濾波片(圖中未不出)、聚光器6和散熱器8，第一濾波片位于氙燈5的正前方，聚光器6包括石英玻璃投射組和球面反射鏡，位于第一濾波片的輸出光路上，得到與太陽光光譜成分相似的模擬太陽光。散熱器8用于穩(wěn)定氣燈5的工作環(huán)境溫度,輸出穩(wěn)定的、平行的模擬太陽光。
[0026]斬光器2包括第二濾波片9和多孔轉盤10，第二濾波片9位于太陽光模擬器I的輸出光路上，得到特定光譜范圍的太陽光，如圖2所示，多孔轉盤10的周向均勻分布多個通光孔，轉動多孔轉盤10，能分別使這些通光孔的中心與第二濾波片9的輸出光路中心重合，得到特定頻率的斬光。
[0027]測試模塊3包括橫向平移臺軌道13、橫向平移臺14、縱向平移臺16、標定測試儀19和電化學測試儀21。橫向平移臺軌道13與斬光器2的輸出光路平行,橫向平移臺14能沿橫向平移臺軌道13移動，用于調(diào)整到達標準硅基電池18或樣品20的測試光光強?？v向平移臺16能沿與水平面垂直的方向移動，用于使標準硅基電池18或樣品20位于斬光器2的輸出光路中心。標定測試儀19連接控制器4，用于測試標準硅基電池18的光電流，對照標準硅基電池的電流-光強曲線，標定對應的光強。電化學測試儀21連接控制器4，用于測試樣品在給定光照條件下的電化學特性參數(shù)，并監(jiān)控測試時的樣品溫度。
[0028]控制器4通過光電源7連接氙燈5，通過馬達驅(qū)動電源12連接馬達11，通過橫向平移驅(qū)動電源15連接橫向平移臺14，通過縱向平移驅(qū)動電源17連接縱向平移臺16?？刂破?用于通過調(diào)節(jié)光電源7的輸出功率來調(diào)節(jié)氙燈5的發(fā)光功率，還用于通過控制馬達驅(qū)動電源12來調(diào)節(jié)馬達11的轉速，驅(qū)動多孔轉盤10勻速轉動，從而得到特定頻率的斬光，還用于通過橫向平移驅(qū)動電源15控制橫向平移臺14移動，還用于通過縱向平移驅(qū)動電源17控制縱向平移臺16移動，還用于控制標定測試儀19和電化學測試儀21對標準硅基電池18和樣品進行測試，并處理測試結果。
[0029]如圖3所示，用本實用新型實施例的測試系統(tǒng)進行光催化光電化學綜合測試的方法如下:
[0030](I)在太陽光模擬器的輸出光路上加載濾波片，得到特定光譜范圍的太陽光。
[0031](2)在濾波片的輸出光路上設置多孔轉盤，調(diào)節(jié)多孔轉盤的轉速，使多孔轉盤勻速轉動，得到特定頻率的斬光。還可以通過調(diào)節(jié)多孔轉盤的通光孔分布，調(diào)節(jié)斬光的周期和占空比(通光時間/周期比)。
[0032](3)移動縱向平移臺，使標準硅基電池位于斬光的光路中心。
[0033](4)移動橫向平移臺，以調(diào)整到達標準硅基電池或樣品的測試光強。
[0034](5)測試標準硅基電池的光電流，與預定的測試光強對應的光電流進行比較，如果不相等，則執(zhí)行步驟(4)，如果相等，則執(zhí)行步驟(6)。
[0035](6)移動縱向平移臺，使樣品位于斬光的光路中心。
[0036](7)測試樣品的電化學特性。
[0037]( 8 )處理步驟(7 )得到的測試數(shù)據(jù)。
[0038]用TiO2納米管作為樣品，在lmol/L的KOH電解液中以Ag/AgCl為參比電極，以Pt為對電極，用本實用新型實施例的基于光調(diào)控的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)測試樣品的電化學特性。標準太陽光和紫外光照射下斬光測試的樣品光電流密度-時間關系曲線如圖4所示，標準太陽光照射下斬光測試的光電流密度-偏置電壓關系曲線如圖5所示，標準太陽光照射下穩(wěn)態(tài)光測試的光電流密度-偏置電壓關系曲線如圖6所示，其中，實線的測試樣品為50V偏壓下氧化陽極鈦片制得的TiO2納米管，虛線的測試樣品為電還原石墨烯氧化物制得的石墨烯修飾的TiO2納米管。
[0039]根據(jù)光電轉換效率的計算公式
[0040]n=IX(1.23-Vbias)/Jlight
[0041]可得到在不同偏`壓下的光電轉換效率，上式中，I為測試的光電流，Vbias為光電流對應的測試偏壓，Jiight為光源照射在樣品上的光功率(光源的功率密度與樣品受光面積的乘積)。得到標準太陽光照射下穩(wěn)態(tài)光測試的光電轉換效率-偏置電壓關系曲線如圖7所
/Jn ο
[0042]根據(jù)工作效率的計算公式


Voc
[0043]Efficiency = j I* V / J1 ,


ο
[0044]可求得圖6中PBS-1Ocycle方法制備的石墨烯修飾的TiO2納米管的工作效率為
2.4%。
[0045]因此，本實用新型提供的測試系統(tǒng)可精確測試以光催化TiO2制氫為代表的光電化學分解水制氫體系在不同光照強度、不同光譜范圍以及不同頻率斬光等光照條件下的電化學特性。
[0046]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽光模擬器、斬光器、測試模塊和控制器； 所述太陽光模擬器包括氙燈、第一濾波片、聚光器和光電源，所述第一濾波片位于所述氙燈的正前方，所述聚光器包括石英玻璃投射組和球面反射鏡，位于所述第一濾波片的輸出光路上； 所述斬光器包括第二濾波片和多孔轉盤，所述第二濾波片位于所述太陽光模擬器的輸出光路上，所述多孔轉盤的周向均勻分布多個通光孔，轉動所述多孔轉盤，能分別使這些通光孔的中心與所述第二濾波片的輸出光路中心重合； 所述測試模塊包括橫向平移軌道、橫向平移臺、縱向平移臺、標定測試儀和電化學測試儀，所述橫向平移軌道與所述斬光器的輸出光路平行，所述橫向平移臺能沿所述橫向平移軌道移動，所述縱向平移臺能沿與水平面垂直的方向移動，通過移動所述縱向平移臺，能使標定電池或樣品位于所述斬光器的輸出光路中心； 所述控制器通過所述光電源連接所述氙燈，所述控制器分別連接所述標定測試儀和所述電化學測試儀。
2.如權利要求1所述的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，其特征在于，所述斬光器還包括馬達和馬達驅(qū)動電源，所述控制器通過所述馬達驅(qū)動電源連接所述馬達。
3.如權利要求1或2所述的光催化光電化學綜合測試系統(tǒng)，其特征在于，所述測試模塊還包括橫向平移驅(qū)動電源和縱向平移驅(qū)動電源，所述控制器通過所述橫向平移驅(qū)動電源連接所述橫向平移臺，通過所述縱向平移驅(qū)動電源連接所述縱向平移臺。
【文檔編號】G01N27/26GK203630082SQ201320853609
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】王鳴魁, 袁懷亮, 張曉凡, 張炳雁, 申燕 申請人:華中科技大學