一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法和用途技术

本发明专利技术属于电化学检测技术领域，具体涉及一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法和用途。所述测试仪包括含有电解液的电化学反应池，多孔电极，对电极，电化学工作站，气体提供装置。本发明专利技术创造性的设计出一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法，能够一次性快速全面评价多孔电极的在电催化反应中的多种性能，解决了多孔电极各种性能逐个测试的复杂性，各种性能的检测状态多孔电极在实际应用时的工作状态，检测结果更具有实用性，对实际生产具有更好的指导意义。

A Comprehensive Testing Instrument for Working Performance of Porous Electrodes and Its Testing Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法和用途
本专利技术属于电化学检测
，具体涉及一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法和用途。
技术介绍
多孔电极是指具有一定厚度且内部包含多孔结构从而比平板电极比表面积大很多的一种电极结构。这种电极因为具有更大的活性比表面积而更有利于电化学反应的进行，能够避免反应过程中的体积收缩和膨胀带来的电极变形或活性物质脱落等问题，因此广泛应用于燃料电池等器件。在使用多孔电极进行电催化消耗气体反应如氧还原反应、二氧化碳还原反应、氮气还原反应及水合肼氧化反应时，电极的气膜厚度、有效孔隙率、气体扩散效率、浸润性、催化活性等性能是影响反应速率的重要因素，但是目前只能用相应仪器对上述性能进行单一逐个表征，并没有能一次性综合表征上述电极性能的综合设备和方法。评价多孔电极比表面积等物理参数的方法主要包括吸附法、透气法及电镜观察等。其中应用最多的检测方法是低温氮吸附法(BET法)，能够检测的参数主要包括孔隙率、比表面积、孔径、孔分布及曲折系数等。而针对测试环境下的有效工作面积测试仅有采用电化学比表面积测试的方法。BET法及电化学比表面积法被广泛的应用在检测评价及检测多孔电极，但是，具有以下缺陷：1、评价对象笼统，采用BET等方法进行测试时不会区分是否其有效工作面积，即所检测得到的比表面积或孔隙率并不能完全参与反应，不能有效的指导电极结构设计。2、评价结果不完善，采用BET等方法来评价多孔电极，没有考虑到实际应用中电极的结构，气体的扩散等问题的影响。3、评价程序复杂，BET等检测手段一般对检测环境要求严苛，并且检测时间很长，费时费力，过程繁琐，且容易出偏差。4、评价数据较片面，电化学比表面法得到的比表面积与真实工作情况下的面积有很大的出入，且无法判断气膜的厚度等。目前，对气体作为反应物的电催化剂活性的评价方法仅局限于旋转圆盘或旋转环盘电极，通过改变圆盘的旋转速度，控制电极表面的传质速度等方式，结合Koutecky-Levich方程对电极催化剂进行评价，具体操作为：将含有少量催化剂的浆料滴涂在旋转圆盘/环盘电极表面，然后改变旋转圆盘/环盘电极的转速以改变电极表面的传质速度，最终依据转速对极限电流的影响的定量关系来评价。这种方法被广泛的应用在检测氧还原催化剂性能及评价燃料电池电极等，但是，其具有以下缺陷：1、评价对象局限，采用旋转圆盘或环盘电极评价氧还原催化剂，只能对很少量电极上的催化剂进行评价，不能对整个电极结构评价，更适合厚度很薄的“面型”催化剂而不适合具有一定厚度的“体型”催化剂。2、评价结果不完善，采用旋转圆盘或环盘电极只能对涂覆在电极表面的催化剂进行性能测试，没有考虑到实际应用中电极的结构，气体的扩散等问题的影响。3、评价程序复杂，对于燃料电池的电极进行评价时，需将电极上的催化剂刮下，重新涂覆到旋转圆盘电极上。过程繁琐，且容易出偏差。此外，多孔电极在工作状态的气膜厚度、有效孔隙率、选择性、内部气体扩散效率这些性能，目前尚无公认的可靠测量方法。因此，需要提供一种更加完善的一次性综合评价包括电极的气膜厚度、有效孔隙率、选择性、气体扩散效率、浸润性、催化活性在内的整体电极电催化性能的方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种多孔电极工作性能综合测试仪及测试方法和用途。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术第一方面公开了一种多孔电极工作性能综合测试仪，所述测试仪包括：含有电解液的电化学反应池，多孔电极，对电极，电化学工作站，气体提供装置；其中，所述电解液被第三反应性气体或非反应性气体饱和；所述多孔电极完全被浸没在所述电解液中，所述多孔电极含有已知浓度的第二反应性气体；所述电化学工作站分别与所述多孔电极和对电极电连接，所述电化学工作站为所述测试仪提供电压，并记录电流或电压随时间的变化；所述对电极设置在所述电化学反应池内；所述气体提供装置向多孔电极表面提供第一反应性气体气泡。其中，所述多孔电极需要采用抽真空装置和气体饱和装置进行预处理，确保所述多孔电极内充满已知浓度的第二反应性气体，第二反应性气体与所述多孔电极内充满的所有气体的体积比为a；或者所述多孔电极不进行预处理，其内自然充满空气。优选的，还包括参比电极，其设置在所述电化学反应池内且与所述电化学工作站电连接。优选的，所述气体提供装置包括进样器，套筒致动装置，推杆致动装置，其目的是为了提高实验的精确性和可重复性操作。优选的，还包括高速摄像机和光源，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心与所述多孔电极表面设置在同一直线上，用于辅助观察气泡状态。优选的，还包括多孔电极预处理装置，包括抽真空装置和气体饱和装置，用于在所述多孔电极内填充已知浓度的第二反应性气体。本专利技术第二方面提供一种多孔电极工作性能综合测试方法，其采用第一方面所述的测试仪进行测试，包括以下步骤：(1)使用非反应性气体将电解液饱和，然后开启所述电化学工作站，为测试仪通电，所述多孔电极内含有的已知浓度的第二反应性气体参与反应，并产生电流，记录电流随时间的变化；或者，使用第三反应性气体将电解液饱和，预先测试所述电解液可以产生的稳定电流，将其作为背景电流，然后开启所述电化学工作站，为测试仪通电，所述多孔电极内含有的已知浓度的第二反应性气体参与反应，并产生电流，并记录电流随时间的变化，此种情况对于电解液含有的气体不做任何限制；(2)当电流曲线趋于平滑、稳定后，第二反应性气体被完全消耗掉，此时，向仅含有非反应性气体的多孔电极表面打一个一定体积的第一反应性气体气泡；(3)通过对电流曲线的监测，一次性综合测量多孔电极工作性能。优选的，所述多孔电极工作性能包括电流密度、气膜厚度、有效孔隙率、气体扩散效率、浸润性、催化活性、选择性或利用率。优选的，步骤(1)中，所述电流曲线为第一消耗曲线，步骤(2)中，所述电流曲线为绝对值先增大，后减小的形式，所述电流增值阶段的曲线为扩散曲线，所述电流降低阶段的曲线为第二消耗曲线；根据以下方法计算或者判断所述多孔电极工作性能：(1)所述电流密度的计算公式为：J＝I/S；其中，J代表电流密度，S代表多孔电极的底面面积，I为电流，可以根据所述电流曲线实时得到。(2)所述气膜厚度的计算方法为：其中，Q代表步骤(1)中的反应产生的电荷量，可从电流曲线积分得到；R为理想气体状态方程常量；T代表实验温度；S代表多孔电极的底面面积；a为比例系数，代表在所述多孔电极的气膜中，第二反应性气体分子与气膜中所有气体的体积比，m代表在所述多孔电极的气膜中，1摩尔第二反应性气体分子参与反应转移的电荷量，ρ电解液代表电解液的密度；g代表重力加速度；h代表多孔电极在电解液中的平均深度；p大气代表实验大气压；需要注意的是：所述气膜厚度表现为多孔电极中的气体在所述电解液中所具有的厚度；(3)所述有效孔隙率，表现为工作状态可利用的空隙总体积与该多孔电极的宏观体积的比值，计算方法为：其中，代表多孔电极有效孔隙率，H电极代表多孔电极的厚度，一般采用物理测量的方法或厂家提供参数为准，H气膜代表上述多孔电极中的气体在所述电解液中所具有的厚度；(4)在同样的电解液中，所述气体扩散效率的相对判断方法为：根据所述扩散曲线达到最高值所用的时间，判断电极的相对气体扩散效率，时间越短，表示电极的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔电极工作性能综合测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：含有电解液的电化学反应池，多孔电极，对电极，电化学工作站，气体提供装置；其中，所述电解液被第三反应性气体或非反应性气体饱和；所述多孔电极完全被浸没在所述电解液中，所述多孔电极内含有已知浓度的第二反应性气体；所述电化学工作站分别与所述多孔电极和对电极电连接，所述电化学工作站为所述测试仪提供电压，并记录电流随时间的变化；所述对电极设置在所述电化学反应池内；所述气体提供装置向多孔电极表面提供第一反应性气体气泡。

【技术特征摘要】
1.一种多孔电极工作性能综合测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：含有电解液的电化学反应池，多孔电极，对电极，电化学工作站，气体提供装置；其中，所述电解液被第三反应性气体或非反应性气体饱和；所述多孔电极完全被浸没在所述电解液中，所述多孔电极内含有已知浓度的第二反应性气体；所述电化学工作站分别与所述多孔电极和对电极电连接，所述电化学工作站为所述测试仪提供电压，并记录电流随时间的变化；所述对电极设置在所述电化学反应池内；所述气体提供装置向多孔电极表面提供第一反应性气体气泡。2.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，还包括参比电极，其设置在所述电化学反应池内且与所述电化学工作站电连接。3.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述气体提供装置包括进样器，套筒致动装置，推杆致动装置。4.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，还包括高速摄像机和光源，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心与所述多孔电极表面设置在同一直线上。5.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，还包括多孔电极预处理装置，包括抽真空装置和气体饱和装置。6.一种多孔电极工作性能综合测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述的测试仪进行测试，包括以下步骤：(1)使用非反应性气体将电解液饱和，然后开启所述电化学工作站，向所述测试仪施加电压，所述多孔电极内含有的已知浓度的第二反应性气体参与反应，并产生电流，记录电流随时间的变化；或者，使用第三反应性气体将电解液饱和，预先测试所述电解液可以产生的稳定电流，将其作为背景电流，然后开启所述电化学工作站，向所述测试仪施加电压，所述多孔电极内含有的已知浓度的第二反应性气体参与反应，并产生电流，记录电流随时间的变化；(2)当电流曲线趋于平滑、稳定后，第二反应性气体被完全消耗掉，此时，向仅含有非反应性气体的多孔电极表面打一个一定体积的第一反应性气体气泡；(3)通过对电流曲线的监测，一次性综合测量多孔电极工作性能。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多孔电极工作性能包括电流密度、气膜厚度、有效孔隙率、气体扩散效率、浸润性、催化活性、选择性或利用率。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述电流曲线为第一消耗曲线，步骤(2)中，所述电流曲线为绝对值先增大，后减小的形式，所述电流增值阶段的曲线为扩散曲线，所述电流降低阶段的曲线为第二消耗曲线；根据以下方法计算或者判断所述多孔电极工作性能：(1)所述电流密度的计算公式为：J＝I/S；其中，J代表电流密度，S代表多孔电极的底面面积，I为电流，可以根据所述电流曲线实时得到；(2)所述气膜厚度的计算方法为：其中，Q代表步骤(1)中的反应产生的电荷量，可从电流曲线积分得到，R为理想气体状态方程常量，T代表实验温度，S代表多孔电极的底面面积，a为比例系数，代表在所述多孔电极的气膜中，第二反应性气体分子与气膜中所有气体的体积比，m代表在所述多孔电极的气膜中，1摩尔第二反应性气体分子参与反应转移的电荷量ρ电解液代表电解液的密度，g代表重力加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓明，徐雯雯，邝允，陆之毅，李梦翾，盛锦华，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11