[实用新型]基于光调控的光催化光电化学综合测试系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光催化技术领域，更具体地，涉及一种基于光调控的光催化光电化学综合测试系统。

背景技术

随着人口和经济的增长以及人民生活水平的提高，能源的消耗也急剧上升。伴随着传统的、不可再生的化石能源的不断消耗，由其引发的环境污染等问题日益严峻，发展清洁可再生能源技术成为时代的重大课题。光催化技术可在不消耗能源的情况下利用太阳能，将水分解为氢气或氧气，同时可分解有机化合物和一些细菌、病菌等微生物，在制造能源的同时也缓解了环境污染等问题。

光催化剂作为光催化技术的主体，在光催化体系中起着决定性的作用，因此研究光催化剂的工作特性，以及分析各项性能指标显得极其重要。在光催化光电化学分解水制氢体系中，催化剂大都采用半导体材料（如TiO₂)，当照射光的能量等于或大于半导体的禁带宽度（E_g）时，半导体价带上的电子被激发跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置，或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化或还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接复合。

例如，三电极体系中，用TiO₂光电分解水，在光照条件下，TiO₂吸收光子产生电子与空穴对，在电场的作用下，电子通过外电路传输到对电极，空穴相应的留在工作电极。与H₂析出的电极电势相比，TiO₂光生电子的电势更负，从而在对电极发生还原反应而析出氢气，而光生空穴的电势比水氧化生成氧气的电势相比更正，从而在工作电极发生氧化反应而产生氧气。

因此，光激发产生的电子-空穴对数，以及在对电极和工作电极表面电子和空穴与电解液电荷交换（即氧化还原反应）的速率将极大决定氢气和氧气的生成速率。此外，在光电催化反应体系中，影响光电催化速率的因素主要还有催化剂、反应液、光源的光谱与辐照度、反应温度和压力等。催化剂作为测试表征的主体，为了表征其性能，在测试中控制其中的一些因素如压力、温度等，测试催化剂与反应液间的光电化学工作特性可达到表征目的，这对光催化反应的研究十分重要。同时光作为能量的最终来源以及催化的直接作用源，研究光对催化剂的影响作用特性显得极具有意义。

目前，在光催化测试系统研究中，绝大多数的主要研究测试对象为光催化产生的气体或者简单的催化剂电化学特性。对温度控制，特别是光源控制在光催化体系中的作用研究还存在欠缺。其中，以Zahner电化学工作站Zennium IM6为基础的CIMPS光电化学测试系统,尽管处理实验数据的重复性较好，可实现自动化操作，但存在以下缺点：（1）光源为LED灯，白色LED灯光谱与太阳光存在较大的差异；（2）单色光的调节通过不同的LED灯分别实现，增加了系统的复杂程度；（3）光调制的实现通过控制光源开关的开启与关闭实现，很难实现快速调制，极大限制了斩光频率，同时也缩短了光源的使用寿命；（4）成本高，操作复杂。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于光调控的光催化光电化学综合测试系统，能够测试光催化剂在不同光照条件下的电化学特性，从而进一步促进光催化的研究与改进，提高光催化效率，该系统结构简单，元件容易获得，且成本低。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种光催化光电化学综合测试系统，其特征在于，包括太阳光模拟器、斩光器、测试模块和控制器；所述太阳光模拟器包括氙灯、第一滤波片、聚光器和光电源，所述第一滤波片位于所述氙灯的正前方，所述聚光器包括石英玻璃投射组和球面反射镜，位于所述第一滤波片的输出光路上；所述斩光器包括第二滤波片和多孔转盘，所述第二滤波片位于所述太阳光模拟器的输出光路上，所述多孔转盘的周向均匀分布多个通光孔，转动所述多孔转盘，能分别使这些通光孔的中心与所述第二滤波片的输出光路中心重合；所述测试模块包括横向平移轨道、横向平移台、纵向平移台、标定测试仪和电化学测试仪，所述横向平移轨道与所述斩光器的输出光路平行，所述横向平移台能沿所述横向平移轨道移动，所述纵向平移台能沿与水平面垂直的方向移动，通过移动所述纵向平移台，能使标定电池或样品位于所述斩光器的输出光路中心；所述控制器通过所述光电源连接所述氙灯，所述控制器分别连接所述标定测试仪和所述电化学测试仪。

优选地，所述斩光器还包括马达和马达驱动电源，所述控制器通过所述马达驱动电源连接所述马达。