本發(fā)明涉及高溫電化學(xué)和光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，常規(guī)的電化學(xué)研究測試方法主要以電信號(hào)作為激勵(lì)手段，通過測量電化學(xué)系統(tǒng)的電學(xué)響應(yīng)從而推測反應(yīng)過程和潛在機(jī)理。但是，該方法獲得的是體系所有微觀信息的宏觀總和，導(dǎo)致缺乏中間過程、中間產(chǎn)物的直觀信息，從而給反應(yīng)機(jī)理的鑒別造成困難。

拉曼光譜是一項(xiàng)重要的現(xiàn)代分子光譜技術(shù)，利用分子拉曼光譜的指紋特性，可以直觀地鑒別分子中原子間的鍵接方式，適合于基團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)的表征，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的物質(zhì)表征。因此，開發(fā)將電化學(xué)測試手段和拉曼光譜表征手段相結(jié)合的原位電化學(xué)譜學(xué)技術(shù)應(yīng)用于電化學(xué)體系的研究，將反應(yīng)機(jī)理的研究提升到原位分子動(dòng)態(tài)水平，同時(shí)又可在線獲得反映電化學(xué)性能的宏觀信息，可以極大推進(jìn)電化學(xué)體系的研究。

相關(guān)技術(shù)中，電化學(xué)原位拉曼光譜測試裝置多集中在低溫固液相電化學(xué)體系的原位研究，如：直接液體燃料電池、鋰電池、金屬腐蝕電化學(xué)研究等，在固/液界面的表面拉曼光譜研究中取得了一些重要進(jìn)展。但是對(duì)于適用于高溫固相電化學(xué)體系，包括SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，固體氧化物燃料電池)、DCFC(direct carbon fuel cell，直接碳燃料電池)等的電化學(xué)原位拉曼光譜聯(lián)用測試系統(tǒng)非常缺乏。由于分子拉曼散射信號(hào)是入射激光信號(hào)的10^-6-10^-9，通過減小拉曼光學(xué)系統(tǒng)的工作距離(顯微透鏡與樣品之間的距離)可以增大立體角從而增強(qiáng)收集到的拉曼光譜信號(hào)，但隨著工作距離減小靠近樣品所在的高溫區(qū)段，大量熱輻射會(huì)對(duì)顯微拉曼鏡頭造成嚴(yán)重腐蝕。

因此，調(diào)和光學(xué)測試和高溫?zé)釕B(tài)環(huán)境的在工作距離上的矛盾是高溫電化學(xué)原位拉曼測試裝置的關(guān)鍵難題。此外，測試裝置對(duì)于安全性、氣密性、電流集流和測溫控溫等要求較為苛刻，同時(shí)希望能夠滿足裝卸、原位添加樣品方便快捷。出于以上原因，電化學(xué)高溫原位拉曼測試裝置的設(shè)計(jì)加工較為復(fù)雜，目前國內(nèi)外現(xiàn)存的類似裝置難以同時(shí)滿足以上條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以運(yùn)用于在線測量高溫運(yùn)行狀態(tài)下的電化學(xué)體系的電化學(xué)信號(hào)和拉曼光譜信息，更好地滿足使用需求。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)，包括：熱態(tài)腔體，所述熱態(tài)腔體包括底座、腔室主體和密封頂蓋，其中，所述腔室主體的頂部設(shè)置為敞口，且所述腔室主體的底部設(shè)置有通孔，所述腔室主體與所述密封頂蓋通過法蘭密封完成密封，并且所述密封頂蓋內(nèi)側(cè)噴涂有耐高溫材料，所述密封頂蓋的中部向內(nèi)凹陷并開有通孔，以設(shè)置用于激光信號(hào)出入的藍(lán)寶石玻璃圓片；測控溫部件，所述測控溫部件包括加熱部件和測溫?zé)犭娕?，所述加熱部件固定于所述腔室主體的中央，且所述加熱部件與腔室內(nèi)壁填滿多孔保溫材料層，所述加熱部件具有第一中空剛玉管和加熱絲，其中，所述第一中空剛玉管的外壁設(shè)置由螺紋，以固定和支撐所述加熱絲，所述測溫?zé)犭娕纪庠O(shè)置有成段的細(xì)剛玉套管，并且腔體內(nèi)設(shè)置有兩根熱電偶，第一熱電偶的測溫頭部與樣品保持相同高度，以檢測反應(yīng)位置的溫度，且第二熱電偶的測溫頭部與加熱段中部保持一致，以監(jiān)控腔內(nèi)溫度最高處；樣品承載部件，所述樣品承載部件包括樣品臺(tái)和緊固件，所述樣品臺(tái)具有第二中空剛玉管和剛玉頂蓋，以通過所述第二中空剛玉管和剛玉頂蓋進(jìn)行緊固密封，其中，所述樣品臺(tái)從所述熱態(tài)腔體的底部伸入，以使樣品位置處于所述加熱部件的中央；電流集流部件，所述電流集流部件包括第一電極集流部件和第二電極集流部件，所述熱態(tài)腔體內(nèi)的第一電極集流部件采用探針探桿集流，第二電極集流部件采用鉑絲鉑網(wǎng)集流；手動(dòng)加料部件，所述手動(dòng)加料部件包括手動(dòng)加料桿、密封件和坩堝，其中，所述手動(dòng)加料桿設(shè)置有夾持結(jié)構(gòu)，以夾持裝填有樣品的所述坩堝；水冷部件，所述水冷部件由水冷套和焊接在所述水冷套上的冷卻水導(dǎo)管組成。

本發(fā)明實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測試電池的密封、原位添加樣品、電流集流、陰陽極氣體供給、測溫控溫等功能，同時(shí)可以通過正對(duì)樣品位置的光學(xué)玻璃視窗原位捕捉拉曼光譜，并且通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便以及局部水冷降溫等功能，從而可以運(yùn)用于在線測量高溫運(yùn)行狀態(tài)下的電化學(xué)體系的電化學(xué)信號(hào)和拉曼光譜信息，而且可以更好地滿足使用需求，簡單易實(shí)現(xiàn)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述加熱絲為鐵鉻鋁合金加熱絲，所述第一中空剛玉管的外壁加工有外螺紋以用于所述鐵鉻鋁合金加熱絲的支撐和固定。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述樣品臺(tái)為剛玉材質(zhì)，所述第二中空剛玉管的一端加工有凹槽和外螺紋，頂蓋加工有內(nèi)螺紋，以固定所述樣品。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述樣品臺(tái)為可拆卸設(shè)計(jì)，通過O型橡膠圈、楔形內(nèi)套管和螺紋蓋與所述熱態(tài)腔體的底部通過螺紋配合實(shí)現(xiàn)所述樣品臺(tái)的密封和固定。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在采用探針探桿集流時(shí)，通過固定在探桿端部的錸絲探針收集電流，并且由探桿中部的銅絲引出所述電流。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，探桿尾部設(shè)置有絕緣塑料套筒，通過與底座和三維三坐標(biāo)平移臺(tái)的連接，使錸絲探針在腔體內(nèi)位置進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過焊接金屬波紋管和兩端的快接法蘭連接對(duì)集流裝置進(jìn)行密封。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述手動(dòng)加料部件設(shè)置在所述腔室主體的外壁。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過四級(jí)O型橡膠圈和法蘭連接對(duì)所述手動(dòng)加料部件和所述熱態(tài)腔體進(jìn)行密封。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述水冷部件設(shè)置于所述腔室主體的下方和所述密封頂蓋上方，以對(duì)高溫?zé)釕B(tài)關(guān)鍵部位進(jìn)行冷卻降溫。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金屬探桿桿座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金屬探桿底盤的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的探針探桿集流裝置的裝配示意圖

圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯電解質(zhì)的拉曼光譜示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液態(tài)銻陽極固體氧化物燃料電池的伏安特性曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

首先，下面對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。

該電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)包括：熱態(tài)腔體、測控溫部件、樣品承載部件、電流集流部件、手動(dòng)加料部件和水冷部件。

其中，熱態(tài)腔體包括底座、腔室主體和密封頂蓋，其中，腔室主體的頂部設(shè)置為敞口，且腔室主體的底部設(shè)置有通孔，腔室主體與密封頂蓋通過法蘭密封完成密封，并且密封頂蓋內(nèi)側(cè)噴涂有耐高溫材料，密封頂蓋的中部向內(nèi)凹陷并開有通孔，以設(shè)置用于激光信號(hào)出入的藍(lán)寶石玻璃圓片。測控溫部件包括加熱部件和測溫?zé)犭娕?，加熱部件固定于腔室主體的中央，且加熱部件與腔室內(nèi)壁填滿多孔保溫材料層，加熱部件具有第一中空剛玉管和加熱絲，其中，第一中空剛玉管的外壁設(shè)置由螺紋，以固定和支撐加熱絲，測溫?zé)犭娕纪庠O(shè)置有成段的細(xì)剛玉套管，并且腔體內(nèi)設(shè)置有兩根熱電偶，第一熱電偶的測溫頭部與樣品保持相同高度，以檢測反應(yīng)位置的溫度，且第二熱電偶的測溫頭部與加熱段中部保持一致，以監(jiān)控腔內(nèi)溫度最高處。樣品承載部件包括樣品臺(tái)和緊固件，樣品臺(tái)具有第二中空剛玉管和剛玉頂蓋，以通過第二中空剛玉管和剛玉頂蓋進(jìn)行緊固密封，其中，樣品臺(tái)從熱態(tài)腔體的底部伸入，以使樣品位置處于加熱部件的中央。電流集流部件包括第一電極集流部件和第二電極集流部件，熱態(tài)腔體內(nèi)的第一電極集流部件采用探針探桿集流，第二電極集流部件采用鉑絲鉑網(wǎng)集流。手動(dòng)加料部件包括手動(dòng)加料桿、密封件和坩堝，其中，手動(dòng)加料桿設(shè)置有夾持結(jié)構(gòu)，以夾持裝填有樣品的坩堝。水冷部件由水冷套和焊接在水冷套上的冷卻水導(dǎo)管組成。該系統(tǒng)可以運(yùn)用于在線測量高溫運(yùn)行狀態(tài)下的電化學(xué)體系的電化學(xué)信號(hào)和拉曼光譜信息，更好地滿足使用需求，簡單易實(shí)現(xiàn)。

舉例而言，在本發(fā)明的實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)包括熱態(tài)主體、密封頂蓋、測控溫部件、樣品承載部件、電流集流部件、手動(dòng)加料部件和水冷部件。其中，熱態(tài)主體內(nèi)部可以設(shè)置多孔保溫材料；纏繞在加工有外螺紋的中空剛玉管外壁的加熱絲如鐵鉻鋁合金加熱絲可以作為熱態(tài)的內(nèi)置熱源，安裝在熱態(tài)腔體中央；樣品承載部件通過熱態(tài)腔體下方伸入，通過螺紋連接固定，使樣品位置處于腔體中間；熱態(tài)腔體內(nèi)的電極集流采用探針探桿集流裝置，通過焊接波紋管和三維三坐標(biāo)平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封；熱態(tài)腔體側(cè)壁設(shè)置有手動(dòng)加料裝置，加料桿前端設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)，通過法蘭連接和四級(jí)O型橡膠圈實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封；密封頂蓋和熱態(tài)腔體下方分別設(shè)置有水冷降溫裝置，用于保護(hù)裝置和人員安全。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，加熱絲為鐵鉻鋁合金加熱絲，第一中空剛玉管的外壁加工有外螺紋以用于鐵鉻鋁合金加熱絲的支撐和固定。

也就是說，中空剛玉管外壁加工有外螺紋用于鐵鉻鋁合金加熱絲的支撐和固定，加熱部件與熱態(tài)腔體之間填滿多孔保溫材料，熱態(tài)腔體和密封頂蓋內(nèi)壁噴涂有剛玉。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，樣品臺(tái)為剛玉材質(zhì)，第二中空剛玉管的一端加工有凹槽和外螺紋，頂蓋加工有內(nèi)螺紋，以固定樣品。

可以理解的是，樣品臺(tái)可以為剛玉材質(zhì)，中空剛玉管一端加工有凹槽和外螺紋，陶瓷頂蓋加工有內(nèi)螺紋，通過螺紋配合實(shí)現(xiàn)樣品固定。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，樣品臺(tái)為可拆卸設(shè)計(jì)，通過O型橡膠圈、楔形內(nèi)套管和螺紋蓋與熱態(tài)腔體的底部通過螺紋配合實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)的密封和固定。

需要說明的是，樣品臺(tái)為可拆卸設(shè)計(jì)，通過O型橡膠圈、楔形內(nèi)套管和螺紋蓋與熱態(tài)腔體底部通過螺紋配合實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)的密封和固定。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在采用探針探桿集流時(shí)，通過固定在探桿端部的錸絲探針收集電流，并且由探桿中部的銅絲引出電流。

也就是說，熱態(tài)腔體內(nèi)部電極的集流方式采用探針探桿集流，通過固定在探桿端部的錸絲探針收集電流，由探桿中部的銅絲引出電流。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，探桿尾部設(shè)置有絕緣塑料套筒，通過與底座和三維三坐標(biāo)平移臺(tái)的連接，使錸絲探針在腔體內(nèi)位置進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。

即言，探桿尾部裝有絕緣塑料套筒，通過與底座和三維三坐標(biāo)平移臺(tái)的連接，實(shí)現(xiàn)錸絲探針在腔體內(nèi)位置的在線調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過焊接金屬波紋管和兩端的快接法蘭連接對(duì)集流裝置進(jìn)行密封。

可以理解的是，通過焊接金屬波紋管和兩端的快接法蘭連接實(shí)現(xiàn)集流裝置的密封。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，手動(dòng)加料部件設(shè)置在腔室主體的外壁。

也就是說，熱態(tài)腔體外壁設(shè)置有手動(dòng)加料裝置，手動(dòng)加料桿前端設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)，利用不銹鋼的韌性夾緊坩堝，實(shí)現(xiàn)在線向樣品位置加料。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過四級(jí)O型橡膠圈和法蘭連接對(duì)手動(dòng)加料部件和熱態(tài)腔體進(jìn)行密封。

即言，通過四級(jí)O型橡膠圈和法蘭連接實(shí)現(xiàn)其與熱態(tài)主體的動(dòng)密封。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，水冷部件設(shè)置于腔室主體的下方和密封頂蓋上方，以對(duì)高溫?zé)釕B(tài)關(guān)鍵部位進(jìn)行冷卻降溫。

可以理解的是，密封頂蓋上方設(shè)計(jì)有冷卻水裝置用于降低光學(xué)視窗上方空間的溫度，熱態(tài)腔體下方設(shè)計(jì)有冷卻水裝置用于降低樣品臺(tái)密封O型橡膠圈的溫度。

具體而言，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)包括熱態(tài)腔體部件、測控溫部件、樣品承載部件、氣體供給部件、電流集流部件、手動(dòng)加料部件和水冷部件。

其中，熱態(tài)腔體部件包括底座、腔室主體和密封頂蓋，底座和腔室主體為一體設(shè)計(jì)，均為不銹鋼材質(zhì)。腔室主體是整個(gè)測試裝置的核心，其頂部為敞口設(shè)計(jì)，外壁周向分別設(shè)計(jì)加工有手動(dòng)加料裝置、探針探桿集流裝置和氣體供應(yīng)裝置，底部開有通孔用于裝卸樣品承載裝置。腔室主體與密封頂蓋采用法蘭密封，通過O型密封膠圈和8個(gè)均勻分布的緊固螺栓形成密封。密封頂蓋內(nèi)側(cè)噴涂有耐高溫材料，頂蓋中部向內(nèi)凹陷并開有通孔，裝有用于激光信號(hào)出入的藍(lán)寶石玻璃圓片，通過O型密封膠圈和緊固螺栓形成密封。

進(jìn)一步地，測控溫部件包括加熱部件和測溫?zé)犭娕?。加熱部件包括中空剛玉管和加熱絲。剛玉管外壁加工有螺紋，用于固定和支撐纏繞的鐵鉻鋁合金加熱絲。加熱部件固定在腔室主體中央，作為熱態(tài)腔室的內(nèi)置熱源。加熱部件與腔室內(nèi)壁填滿多孔保溫材料層，多孔保溫材料的作用是增加導(dǎo)熱熱阻，降低熱態(tài)腔體外壁溫度，保證實(shí)驗(yàn)操作安全性。熱電偶外有成段的細(xì)剛玉套管，腔體內(nèi)布置有兩根熱電偶，一根熱電偶測溫頭部與樣品保持相同高度，用于檢測反應(yīng)位置的溫度；另一根熱電偶測溫頭部與加熱段中部保持一致，監(jiān)控腔內(nèi)溫度最高處，保護(hù)加熱部件。

進(jìn)一步地，樣品承載部件包括樣品臺(tái)和緊固件兩部分。樣品臺(tái)為剛玉材質(zhì)，包括一定厚度的中空剛玉管和剛玉頂蓋，實(shí)驗(yàn)測試常用的圓形電池基片放置在剛玉管一側(cè)凹槽內(nèi)，利用剛玉管和剛玉頂蓋的螺紋配合實(shí)現(xiàn)緊固密封。樣品臺(tái)從熱態(tài)腔體底部伸入，使得樣品位置處在加熱部件中央。樣品臺(tái)的安裝和固定通過熱態(tài)腔體底部和外套頂蓋的螺紋配合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)內(nèi)裝有錐形內(nèi)套管和O型橡膠圈實(shí)現(xiàn)腔體密封。

進(jìn)一步地，氣體供給部件分別包括兩極腔室的氣體進(jìn)出口管。測試電池兩極主要由樣品臺(tái)分隔開，主腔室內(nèi)進(jìn)出氣管路為不銹鋼材質(zhì)，氣體由側(cè)壁入口管掠過樣品充滿腔體，再由同側(cè)的氣體出口管排出。另一側(cè)電極腔室由樣品臺(tái)剛玉管內(nèi)空間構(gòu)成，氣體進(jìn)口管為剛玉管，氣體通過多孔集流鉑網(wǎng)后從樣品臺(tái)剛玉管與氣體進(jìn)口管之間的環(huán)形腔體流過，經(jīng)由氣體出口孔排出。

進(jìn)一步地，電流集流部件分別包括兩極集流部件。熱態(tài)腔體內(nèi)的電極集流部件采用探針探桿集流。探桿前端的錸絲探針與電極表面緊密接觸收集電流，通過被簧片壓緊在探桿中部的銅絲將電流信號(hào)引出腔體；探桿遠(yuǎn)離電極的端部裝有絕緣塑料套筒，通過金屬底座固定在三維三坐標(biāo)平移臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)電流采集位置的在線調(diào)節(jié)；三維坐標(biāo)平移臺(tái)與腔體之間的密封通過焊接波紋管實(shí)現(xiàn)可調(diào)動(dòng)密封。另一側(cè)電極集流采用鉑絲鉑網(wǎng)集流，利用氣體進(jìn)口管將鉑網(wǎng)壓緊在電極表面收集電流信號(hào)，集流鉑絲穿過氣體進(jìn)口管將電流引出。

進(jìn)一步地，手動(dòng)加料部件包括手動(dòng)加料桿、密封件和坩堝。手動(dòng)加料桿前端設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)，用于夾持裝填樣品的TGA坩堝。加料桿和熱態(tài)腔體的固定和密封通過法蘭連接和四級(jí)橡膠圈實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，水冷部件包括水冷套和焊接在其上的冷卻水導(dǎo)管組成。為了實(shí)現(xiàn)高溫?zé)釕B(tài)關(guān)鍵部位的冷卻降溫，裝置設(shè)計(jì)有兩路水冷。一路通過法蘭連接固定在熱態(tài)頂蓋中部，用于降低光學(xué)視窗位置的溫度，保護(hù)光學(xué)視窗以及上方拉曼光譜采集的光學(xué)鏡頭。另一路水冷安裝在熱態(tài)底部，用于冷卻實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)密封的O型密封膠圈，防止密封失效。

其次，下面將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)。

如圖1所示，圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，熱態(tài)腔體(2)固定在底座(1)上。鐵鉻鋁合金加熱絲(7)纏繞在加工有外螺紋的中空剛玉管(6)外壁，剛玉管固定在熱態(tài)腔體中央作為內(nèi)置熱源，提供反應(yīng)所需溫度。剛玉管與熱態(tài)腔體內(nèi)壁之間填滿多孔保溫材料。熱態(tài)腔體底部開有通孔，用于承載樣品的樣品臺(tái)(9)從底部伸入，利用錐形金屬套筒(11)和O型橡膠圈(12)的擠壓力實(shí)現(xiàn)熱態(tài)腔體底部的密封，通過內(nèi)螺紋頂蓋(10)和熱態(tài)腔體底部的外螺紋連接實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)的固定。固定后樣品位置靠近加熱絲頂部一端。測溫的K型熱電偶(8)穿過多孔保溫材料，使得測溫頭部與樣品高度一致，用于監(jiān)控樣品位置的實(shí)時(shí)溫度。熱態(tài)腔體為頂部敞口設(shè)計(jì)，與密封頂蓋(3)通過法蘭連接和O型橡膠圈(4)實(shí)現(xiàn)頂部密封。密封頂蓋中心加工有臺(tái)階孔，裝有用于拉曼光譜采集用的激光光路進(jìn)出的藍(lán)寶石光學(xué)玻璃(5)，利用水冷套(22)和頂蓋的法蘭連接實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃的密封。熱態(tài)腔體側(cè)壁設(shè)計(jì)有手動(dòng)加料裝置。手動(dòng)加料桿(18)前端設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)，利用不銹鋼薄片的彈性夾緊用于裝填樣品的坩堝(19)，用于測試過程中在線向樣品臺(tái)所在位置加料。加料桿的緊固和密封通過緊固件(20)和熱態(tài)腔體外壁結(jié)構(gòu)的法蘭連接，以及四級(jí)O型橡膠圈(21)實(shí)現(xiàn)。處于熱態(tài)腔體內(nèi)的測試電池陽極集流采用探針探桿集流裝置。錸絲探針(14)固定在長探桿(15)的前端，通過與陽極表面的密接觸收集電流信號(hào)，由長探桿傳導(dǎo)，再由連接在長探桿中間的銅絲導(dǎo)出腔體。長探桿尾部設(shè)計(jì)有絕緣塑料套筒，通過塑料套筒與探桿底座(17)連接，探桿底座與商用的三維三坐標(biāo)平移臺(tái)固定，從而實(shí)現(xiàn)探針在測試過程中的三維調(diào)節(jié)。探針探桿集流裝置的密封采用柔性的金屬焊接波紋管(16)，通過法蘭連接實(shí)現(xiàn)密封固定。陰極腔室由樣品臺(tái)剛玉管內(nèi)空間構(gòu)成，陰極集流采用鉑絲鉑網(wǎng)集流，通過細(xì)剛玉管(13)將鉑網(wǎng)壓緊在陰極表面收集電流信號(hào)，再通過連接在鉑網(wǎng)上的鉑絲將電流引出。密封頂蓋上設(shè)計(jì)有水冷套(22)用于冷卻光學(xué)玻璃周圍溫度，保護(hù)上方測試的拉曼光學(xué)鏡頭。熱態(tài)腔體底部也設(shè)計(jì)有水冷套(23)用于降低O型橡膠圈(12)的溫度，防止樣品臺(tái)密封失效。

進(jìn)一步地，如圖2所示，厚壁的中空剛玉管(9-1)頂部加工有凹槽，用于支撐常用的測試電池基片(9-3)，再涂上高溫密封膠實(shí)現(xiàn)密封。剛玉管頂部加工外螺紋，通過與陶瓷頂蓋(9-2)的螺紋配合將電池基片壓緊。將樣品臺(tái)固定密封在熱態(tài)腔體后，也實(shí)現(xiàn)了電池兩極腔室的分隔，其中陽極處在熱態(tài)主腔室內(nèi)，陰極腔室為剛玉管內(nèi)腔室。

進(jìn)一步地，如圖3所示，陽極集流探桿尾部通過緊配合裝有塑料套筒，套筒與通孔(26)通過緊配合從而使探桿固定在桿座上，通孔(25)用于集流導(dǎo)線的引出。

進(jìn)一步地，如圖4所示，通過探桿桿座上的通孔(24)與底盤上的螺紋孔(27)配合，從而將探桿桿座固定在底盤上。底盤通過四個(gè)通孔(28)固定在三維三坐標(biāo)平移臺(tái)上，從而滿足探針探桿集流體系三維坐標(biāo)調(diào)節(jié)的要求。底盤上的通孔(29)用于集流導(dǎo)線的引出。

另外，如圖5所示，探桿與桿座(30)通過緊配合固定后，桿座通過螺栓固定在底盤(17)上。底盤與焊接波紋管(16)通過法蘭連接實(shí)現(xiàn)密封。焊接波紋管與熱態(tài)腔體的密封同樣通過法蘭連接實(shí)現(xiàn)。

舉例而言，和本發(fā)明實(shí)施例的熱態(tài)系統(tǒng)配套的拉曼光譜儀為Ocean Optics公司的QE65Pro拉曼光譜儀，激光器為功率100mW的473nm藍(lán)光激光器，電化學(xué)工作站為德國Zahner公司IM6ex電化學(xué)工作站。

采用本發(fā)明實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼測試熱態(tài)系統(tǒng)在1073K條件下進(jìn)行液態(tài)銻金屬陽極固體氧化物燃料電池體系進(jìn)行測試，具體操作過程如下：

將一面刷有鉑漿的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)基片放置在樣品臺(tái)剛玉管的凹槽內(nèi)，涂上高溫密封膠并擰上陶瓷頂蓋。將樣品臺(tái)固定在熱態(tài)腔體上，使電池片位置處在加熱絲的端部。調(diào)節(jié)熱電偶測溫頭部的位置，使其貼緊陶瓷頂蓋。向坩堝內(nèi)加入適量金屬銻粉末，將坩堝夾持在手動(dòng)加料桿上。防止密封頂蓋，擰緊螺栓實(shí)現(xiàn)腔體密封。開啟兩路循環(huán)冷卻水，向腔室主體內(nèi)通入氬氣作為保護(hù)氣。設(shè)置升溫程序，啟動(dòng)加熱。當(dāng)溫度達(dá)到1073K時(shí)，通過手動(dòng)加料桿將坩堝內(nèi)的金屬銻粉末倒在YSZ基片表面，使其迅速融化成球。陰極利用細(xì)剛玉管將鉑網(wǎng)貼近在陰極表面，陽極通過操作三維三坐標(biāo)平移臺(tái)使得金屬探針接觸上銻液滴，利用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試。整個(gè)升溫過程中均可對(duì)體系內(nèi)進(jìn)行拉曼光譜采集。

利用拉曼光譜儀測得的電解質(zhì)YSZ基片的常溫以及高溫下的拉曼光譜如圖6所示，可以看到系統(tǒng)可以獲得信噪比很高、特征峰清晰的拉曼光譜，很好地反映拉曼光譜的溫度效應(yīng)。

液態(tài)銻金屬陽極SOFC在陽極不添加燃料的情況下，仍然能夠通過自身氧化維持電池的運(yùn)行，該模式稱為“電池模式”。它的工作原理為：O₂在陰極側(cè)的陰極-電解質(zhì)界面處得電子生成O^2-，O^2-經(jīng)電解質(zhì)輸運(yùn)至陽極-電解質(zhì)交界面與液態(tài)銻金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，電化學(xué)反應(yīng)主要為：

2Sb+3O^2-→Sb₂O₃+6e^-。

因此，液態(tài)銻金屬陽極SOFC在電池模式運(yùn)行下的總反應(yīng)為：

2Sb+3O₂→Sb₂O₃。

如圖7所示，圖7為1073K下利用電化學(xué)工作站測得的液態(tài)銻金屬陽極固體氧化物燃料電池的高信噪比而且清晰穩(wěn)定的伏安特性曲線，進(jìn)而證明了電化學(xué)測試系統(tǒng)結(jié)果的可靠性。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電化學(xué)高溫原位拉曼光譜測試熱態(tài)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測試電池的密封、原位添加樣品、電流集流、陰陽極氣體供給、測溫控溫等功能，同時(shí)可以通過正對(duì)樣品位置的光學(xué)玻璃視窗原位捕捉拉曼光譜，并且通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便以及局部水冷降溫等功能，從而可以運(yùn)用于在線測量高溫運(yùn)行狀態(tài)下的電化學(xué)體系的電化學(xué)信號(hào)和拉曼光譜信息，而且可以更好地滿足使用需求，更加安全可靠，簡單易實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。