溶液ｐＨ的电化学原位调控方法技术

溶液ｐＨ的电化学原位调控方法。提供一种原位、实时调控溶液全局的溶液ｐＨ的电化学原位调控方法和装置。装置设有电解池、恒电流仪，电解池内设有钯金属膜并将电解池隔离成多个电极室，电极室串联，最外两个电极室接Ａｇ／ＡｇＣｌ电极。在Ａｇ／ＡｇＣｌ电极之间加极化电流，左电极室的Ｐｄ膜为阳极，Ｐｄ膜体相中的原子氢扩散到表面而被氧化为Ｈ＋，电极上ＡｇＣｌ被还原为Ａｇ；右电极室的Ｐｄ膜表面为阴极，Ｈ＋还原反应为氢原子，吸附到Ｐｄ膜表面后进入Ｐｄ膜体相，电极上的Ａｇ被氧化为ＡｇＣｌ；改变极化电流极性，左电极室的Ｐｄ膜表面由阳极变为阴极，右电极室的Ｐｄ膜由阴极变为阳极，电极室中溶液的ｐＨ分别发生相应变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电化学调控溶液PH的技术，尤其是涉及一种在不改变体积、不需要额外反应物、不产生氢气和氧气的情况下，原位、实时、循环和大幅度调控溶液PH的方法 和装置。
技术介绍
环境的pH对众多的化学和生物过程起着极为重要的作用。许多有机反应的热力 学和动力学与氢离子浓度密切相关；代谢过程与胞外环境的PH有关，各种酶的活性，尤其 是生命遗传物质DNA中氢键的稳定性也直接依赖于环境的pH。研究各种pH依赖的动力学 过程、分离和检测pH敏感的两性蛋白质，以及进行需要在酸、碱循环变化中得以实现的重 要生物过程和纳米制备，皆依赖于在不改变体积的前提下溶液整体PH的原位和时、空调控 性。现有溶液pH的调节有以下几种方法1)配置缓冲溶液，能严格pH控制值，但不能 原位调控，仅适合特定的反应；2)通过酸、碱滴加，可以实时改变溶液的pH值，但同时伴随着研究体系的体积改变，降低研究物质的浓度，而且这种方法难以 实现在微流控芯片中的溶液PH的调控；3)电极反应产生或消耗H+，可以改变溶液局部的 PH值，但通常需要引入不希望的副反应，污染研究体系，而且若副产物为氢气和氧气时，它 们的析出可能造成微反应器中电流回路的断路问题；4)利用Pd电极上的还原吸氢和氧化 脱氢，不需另加反应物，反应体系简单而清洁，但氢的吸入和脱出量十分有限，难以大幅度 改变溶液全局的 pH 值。. Anal. Chem.，2008，80 905-914]此外，在等电聚焦电泳技术中，通过 两性化合物的比例配置和固定，可以造成PH梯度，用于不同等电点的蛋白质的分离或检 测。但是，这种PH调控不具有时间调控性。总之，现有pH调控方法皆无法在不改变溶液体 积或不引入氢气和氧气析出的情况下，原位、实时和大幅度调控溶液全局的PH值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有pH调控方法皆无法在不改变溶液体积或不引入氢气 和氧气析出的情况下，原位、实时和大幅度调控溶液全局的PH值，提供一种原位、实时调控 溶液全局的溶液PH的电化学原位调控方法和装置。本专利技术所述的溶液pH的电化学原位调控装置设有电解池、恒电流仪，电解池内设 有至少2片钯金属膜，钯金属膜将电解池隔离成多个电极室，电极室通过导电性透氢膜互 为串联，电极室中充有电解质溶液，最外的两个电极室分别连接2个Ag/AgCl电极，2个Ag/ AgCl电极与恒电流仪电连接。所述的透氢膜可以是电子导体，或离子导体与电子导体的复合，以垫片的形式通过挤压、粘结等方式密闭或半开放性地连接电极室，形成至少两个正、负相间的电极室。所 述的电子导体可采用Pd膜或金属氢化物膜等；离子导体可采用阳离子交换树脂膜或阴离 子交换树脂膜；电极室为至少2个正相与负相间的电极室，通过恒电位或恒电流的方式使2个Ag/ AgCl电极间发生极化，控制电流的大小、时间和极性，可使串联电极室的溶液pH值按要求 发生交替变化，即膜的阳极侧所在的电极室PH降低，阴极侧所在的电极室pH升高。本专利技术所述的包括以下步骤1)接好溶液pH的电化学原位调控装置，将恒电流仪的正负极分别与双电极室电 解池中2个Ag/AgCl电极相连接，向两侧电极室中分别加入氯化钠溶液，并插入微型Pd-H 电极和饱和甘汞电极(SCE)用以监测溶液的pH变化；2)按左负右正的极性在2个Ag/AgCl电极之间加上恒定的极化电流，此时左电极 室的Pd膜作为阳极，Pd膜体相中的原子氢扩散到表面而被氧化为H+，使溶液pH降低，同时 辅助电极上AgCl被还原为Ag;同理，右电极室的Pd膜表面作为阴极，H+还原反应为氢原子， 吸附到Pd膜表面后进入Pd膜体相，使溶液pH升高，同时辅助电极上的Ag被氧化为AgCl ；3)改变极化电流的极性，左电极室的Pd膜表面由阳极变为阴极，而右电极室的Pd 膜则由阴极变为阳极，左电极室、右电极室中溶液的PH分别发生从低到高和从高到低的变 化，循环改变极化电流的极性，可以周期性地调变左电极室、右电极室溶液的PH值。本专利技术是一种基于透氢导电薄膜的串联电解池思路的电化学pH控制技术，本发 明的技术方案是以储氢材料钯(Pd)作为电极，当其上发生H+的还原反应时，析出的氢原子 进入Pd的体相而不产生氢气泡，此时电极附近溶液的pH增高；当发生氢原子的氧化反应 时，Pd中储存的氢原子脱出，此时电极附近溶液的pH降低。本专利技术以Pd膜作为一种能透 氢的隔膜和导线，膜的导电性使相邻的两个电极室形成串联电解池，而膜的透氢性使氢原 子在膜的两侧发生交换；膜的两侧分别作为两个相邻电极室的阳极和阴极，在外加电位或 电流下，膜的一侧(阴极侧)发生H+的还原反应，析出的氢原子向透氢膜的体相扩散；膜的 另一侧(阳极侧)则发生氢原子的氧化反应，促使氢原子从膜中脱出。据此，可以在不产生 氢气和氧气的情况下，源源不断地消耗或产生溶液中的H+，达到大幅度调控溶液全局pH的 目的。与现有的pH的调控技术相比，本专利技术具有以下突出特点用透氢性导电膜作为“导线”，构成包括至少两个正、负相间的电极室的串联电解池，外电源只需要接入到最外两个电极室中的、除透氢导电薄膜以外的两个电极；由于膜的 导电性和透氢性，其两侧表面分别发生阳极和阴极过程，向膜中储存原子氢或消耗膜中的 原子氢，同时消耗或产生溶液中的氢离子，从而源源不断地向/从某一指定电极室提供/移 走氢离子，达到大幅度调节溶液的整体PH的目的；改变电流的大小和极性，可以循环调变 所需的PH值，尤其适合需要原位酸、碱循环变化实现的生物(生命)过程和纳米材料的制 备。本专利技术能够在不改变体积、不需要额外反应物、不产生氢气和氧气的情况下，大幅 度调变溶液全局的PH 从一定体积的中性溶液开始，可在短时间内改变高达士4个单位的 PH值。所提出的电化学pH控制技术特别适用于需要原位和实时改变溶液pH的各种研究和 制备。附图说明图1为本专利技术实施例的溶液pH的电化学原位调控装置的pH控制原理和结构组成 示意图。图2为本专利技术实施例的溶液pH在5. 3 11. 2之间随时间循环改变的响应曲线。 在图2中，1和3为在给定的一恒定电流下，某电极溶液pH上升的过程；2和4为在给定的 反方向电流下溶液PH下降的过程；横坐标为时间t (min)，纵坐标为溶液pH值。 图3为本专利技术实施例的溶液pH在6 2之间随时间循环改变的响应曲线。在图 3中，I和III为在给定的一恒定电流下，溶液pH下降的过程；II和IV为在给定的反方向 电流下，溶液PH上升的过程；横坐标为时间t (min)，纵坐标为溶液pH值。具体实施例方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1给出本专利技术实施例的溶液pH的电化学原位调控装置的pH控制原理和结构组 成示意图。在图1中，A和B为2个Ag/AgCl电极，C为电解池骨架，D为恒电流仪，E为钯 金属膜，多片钯金属膜将电解池隔离成多个电极室(1，2，. . . N)。以下具体实施例以Pd膜分割为2个电极室为例叙述。本专利技术对pH的调控是通过 电流或电位的控制来实现的，以电流对PH调控的具体实现过程说明如下1、取大小为3mmX4mmX6mm，厚度为0. 5mm的银片，在摩尔比浓度为0. IM的盐酸溶 液中，按照电流密度为ImA/cm2，进行阳极极化40min，制得Ag/AgCl电极。本文档来自技高网...

【技术保护点】
溶液ｐＨ的电化学原位调控装置，其特征在于设有电解池、恒电流仪，电解池内设有至少２片钯金属膜，钯金属膜将电解池隔离成多个电极室，电极室通过导电性透氢膜互为串联，电极室中充有电解质溶液，最外的两个电极室分别连接２个Ａｇ／ＡｇＣｌ电极，２个Ａｇ／ＡｇＣｌ电极与恒电流仪电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛秉伟，王永春，田昭武，汝英明，苏建加，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]