一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与方法，该方法能够控制气泡在壁面附近的行为，包括反弹、碰撞、滑移、合并和脱离直径变小等行为。具体特征在于，该装置可在光电极表面产生连续均匀的气泡，通过斩光控制气泡生长脱离特性；通过斩光控制电极表面的气泡发生反弹行为，且反弹次数与频率可调；通过斩光控制气泡碰撞壁面并在壁面滑移与合并；通过摄像系统记录气泡行为，可以分析气泡的行为信息，为气泡在斩光过程中的受力分析提供了有效手段。因此，本发明专利技术提出的这种装置与方法，能够有效控制气泡在电极表面附近的动力学行为与特性，从而有效控制气泡行为对于体系的传热传质效率的影响，在应用中十分灵活，可重复性极强。

Device and method for controlling bubble behavior on photoelectric pole surface by cutting light

The invention discloses a device and a method for controlling light by chopped bubbles in the photoelectrode surface behavior, this method can control the air bubbles in the near wall behavior, including bounce, collision, slip, merge and departure diameter smaller behavior. The concrete is characterized in that the device can be continuously uniform bubbles generated in the photoelectric electrode surface by chopping control characteristics of bubble growth and departure; by chopping control electrode surface bubble rebound behavior, and rebound number and frequency is adjustable; by chopping control of bubble collision wall and wall slip and merge; through the camera the system can record the bubble behavior, analysis of information for the behavior of bubbles, bubbles in the chopping process stress analysis provides effective means. Therefore, the device and the method of the invention can effectively control the air bubbles in the dynamic behavior and characteristics near the electrode surface, so as to effectively control the influence of bubble behavior for the heat and mass transfer efficiency of the system, is very flexible in application, strong repeatability.

【技术实现步骤摘要】
一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置与方法
本专利技术属于光催化及多相流交叉
，具体涉及光催化过程中光电极表面气泡行为的控制及记录装置与方法，特别涉及到一种通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与方法。
技术介绍
光催化/光电催化分解水制氢是一种非常有前景的获得无碳能源的有效途径，而在分解水过程中发生在电极表面的气泡析出现象是质量传递或热量传递过程的直观反映，往往成为影响工业过程、体系效率的关键。光阳极水氧化反应作为限速步骤决定了分解水的效率，该反应驱动氧气泡的生长，是发生在光电极固液表面典型的物理化学过程。研究电极表面析出气泡的动力学特性对于理解光电化学反应过程中界面相互作用和反应产物的输运提供了一种有效方法。人们基于沸腾、电解等特殊工业过程中的气泡析出现象，对气泡的生长、脱离等过程的物理机制，及气泡现象对系统效率影响两方面展开了广泛地研究，但对气泡和界面之间的相互作用机制缺乏关注。目前对于气泡在壁面附近的运动，大多数学者通过注气或者加热液体的方式产生气泡，研究上升气泡在垂直壁面附近的动力学行为或上升的气泡与水平壁面或者倾斜壁面的碰撞反弹现象，包括气泡的运动轨迹、速度和变形等，也研究在此过程中气泡与壁面的相互作用对系统传热传质的影响；也有学者通过光催化/光电催化分解水的方式在电极表面产生气泡，研究气泡的生长脱离或合并滑移等行为对体系反应产物输运或者对催化反应效率的影响。而通过光催化/光电催化分解水在垂直壁面产生气泡，并由外部斩光控制气泡在壁面发生碰撞、反弹、滑移、合并和脱离直径变小等行为，从而对系统的传热传质及催化反应效率产生影响的研究未见有正式报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过斩光控制气泡在光电极表面反弹行为的装置与技术方法。利用该装置与方法能够通过斩光系统对激发光源进行斩光，而电子快门的开关时间可调节，从而有效控制气泡在电极表面的动力学行为与特性，进而控制气泡对体系的传质换热及反应效率的影响。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，包括光源系统、斩光系统、反应系统和摄像系统，其中光源系统包括激光器和聚焦透镜，斩光系统包括电子快门和精密定时器，反应系统包括反应池和电化学工作站，摄像系统包括高速摄像和显微镜，所述光源系统产生激发光束，聚焦后的光束通过斩光系统，被斩光的激发光束入射到反应系统，摄像系统记录反应系统中产生的气泡行为。进一步地，激光器、聚焦透镜和电子快门加装在精密共轴光学导轨上，电子快门连接精密定时器，入射光源与反应池内的TiO2光电极垂直，摄像系统安装在三维调节架上，高亮度LED灯正对摄像系统。一种基于通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置的方法，包括以下步骤：步骤一，调节光源系统和反应系统，使电极表面连续均匀地产生气泡；步骤二，利用斩光系统对光源进行斩光，调节快门开关时间0.01s-9999s，得到对应的气泡行为；步骤三，摄像系统从反应池侧面对电极表面产生的气泡行为进行拍摄，高亮度LED灯正对摄像机进行补光；步骤四，导出摄像系统记录的气泡图片，用图像处理软件分析气泡行为。进一步地，步骤一中所述的反应系统采用恒电压极化的光电催化方式或者纯光催化方式使阳极表面产生气泡。进一步地，步骤二中所述的电子快门打开时激发光束照射在电极表面，电子快门关闭则遮挡光束照射电极表面，电子快门的开关时间通过精密定时器进行设置。进一步地，步骤二中所述的气泡行为，包括反弹、碰撞壁面、滑移、合并和气泡脱离直径变小，其中碰撞、滑移与合并发生在反弹过程中。进一步地，气泡反弹、碰撞壁面和滑移要求快门打开时间0～5s，快门关闭时间0～1s，气泡合并要求快门打开时间0.01s～0.1s，快门关闭时间0.01s～0.2s，气泡脱离直径变小要求快门打开时间小于气泡无斩光时的生长时间。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术通过精密电子快门对激发光源进行斩光，可以使光电极表面产生的气泡提前脱离，减小气泡在电极表面的附着时间与脱离直径，提高气泡脱离频率，调节快门开关时间还可以使气泡发生反弹、碰撞壁面、滑移与合并，这些行为都可以提高电极表面催化反应位置附近的传热传质效率。有的研究通过注气和加热液体产生气泡，并利用液体浮力使气泡上升与水平或者倾斜壁面发生碰撞并反弹，也有研究通过光催化/光电催化分解水在电极表面产生气泡，产生的气泡在合并时发生弹跳滑移等现象，本专利技术通过斩光控制气泡在光电极表面行为的装置与技术方法具有以下优点。首先，本专利技术中气泡的产生更易控制，气泡大小和生长频率更均匀，气泡的脱离不需要在反应池内加入扰动；其次，气泡的生长时间和脱离直径大小可以通过外部斩光控制，在气泡不发生反弹的情况下，气泡的生长时间和脱离直径与快门打开时间正相关，其中生长时间等于打开时间，脱离直径与生长时间的1/3次方成正比；再次，通过调节快门开关时间可以使气泡发生反弹、碰撞壁面、滑移与合并等现象；最后，对于气泡在壁面上的反弹、碰撞壁面、滑移与合并等行为的控制上更为主动，气泡在反弹的过程中仍在生长，脱离时大小形状保持不变，且气泡最终会脱离表面而不会附着在生长点影响反应效率，因此更容易分析气泡在过程中的受力和对系统传热传质的影响，在应用中十分灵活，可重复性极强。附图说明图1是本专利技术一种通过斩光控制光电极表面气泡行为系统装置示意图。图2是气泡反弹示意图；其中(a)是通过本专利技术的装置获得的气泡反弹图片，图中虚线标记光照中心位置，(b)是根据气泡反弹现象给出的示意图，图中包括气泡的成核、生长、脱离、反弹、碰撞壁面与滑移等行为；图3是反弹气泡的半径与相对坐标位置随时间变化曲线图，其中垂直虚线对应快门打开和关闭时刻，序号代表气泡反弹次数；图4是不同快门开关条件下的气泡平均周期和平均反弹次数变化曲线图。图5是斩光控制气泡发生滑移与合并行为的图片；图6不同偏压下脱离直径之比随光强的变化曲线，脱离直径之比是指在加入快门斩光后的气泡脱离直径与无扰动时气泡正常脱离直径的比值，其中快门打开时间为2s，关闭时间为0.15s。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：参见图1，本专利技术的一种通过斩光控制氧气泡在光电极表面行为的装置与方法，首先设计并搭建系统，将光源系统和斩光系统加装在精密共轴光学导轨上，CS350电化学工作站7为反应提供恒偏压，高速摄像机8和显微镜9固定在三维调节架10上从侧面对反应池6中光电极上的气泡进行拍摄，高亮度LED灯11正对摄像系统进行补光。其中电解液为0.5mol/L的硫酸钠溶液，光电阳极采用TiO2纳米棒薄膜电极，阴极为铂丝电极，摄像机拍摄频率设置为5000Hz，显微镜放大倍率为8×，激光器功率取1～19mW，电化学工作站的恒电压设置为0～0.2V，精密电子快门的有效开关时间范围是0.01s～9999s。这里需要提出以下声明，对于本专利技术提出的技术方案，光电阳极使用TiO2薄膜电极，也可使用同类型其他光催化材料代替；电解液使用浓度为0.5mol/L的硫酸钠溶液，也可使用其他浓度的其他溶液作为电解液；为方便激光透射和高速摄像的拍摄，反应池为长方体的石英玻璃槽，但反应器材质和形状可以被代替；斩光器使用精密电子快门，也可使用其他型号的类似功能的斩光器代替；CS350电化学工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，其特征在于：包括光源系统、斩光系统、反应系统和摄像系统，所述光源系统产生激发光束，聚焦后的光束通过斩光系统，被斩光的激发光束入射到反应系统，摄像系统记录反应系统中产生的气泡行为，其中光源系统包括激光器(1)和聚焦透镜(2)，斩光系统包括电子快门(3)和精密定时器(4)，反应系统包括反应池(6)和电化学工作站(7)，摄像系统包括高速摄像(8)和显微镜(9)。

【技术特征摘要】
1.一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，其特征在于：包括光源系统、斩光系统、反应系统和摄像系统，所述光源系统产生激发光束，聚焦后的光束通过斩光系统，被斩光的激发光束入射到反应系统，摄像系统记录反应系统中产生的气泡行为，其中光源系统包括激光器(1)和聚焦透镜(2)，斩光系统包括电子快门(3)和精密定时器(4)，反应系统包括反应池(6)和电化学工作站(7)，摄像系统包括高速摄像(8)和显微镜(9)。2.根据权利要求1所述的一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置，其特征在于，激光器(1)、聚焦透镜(2)和电子快门(3)加装在精密共轴光学导轨(5)上，电子快门(3)连接精密定时器(4)，入射光源与反应池(6)内的TiO2光电极垂直，摄像系统安装在三维调节架(10)上，高亮度LED灯(11)正对摄像系统。3.一种基于通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，调节光源系统和反应系统，使电极表面连续均匀地产生气泡；步骤二，利用斩光系统对光源进行斩光，调节快门开关时间0.01s-9999s，得到对应的气泡行为；步骤三，摄像系统从反应池侧面对...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈锦，曹振山，王晔春，胡晓玮，陈娟雯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61