[发明专利]一种通过斩光控制光电极表面气泡行为的装置与方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光催化及多相流交叉技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。