高通量光电催化表征装置研究
高通量的实验手段包括高通量制备和高通量表征,这些高通量实验技术手段是实现快速合成与表征的有力手段,也是实现材料基因组工程在材料研究上的有力保障。本课题研究用于新型光电催化材料的快速研发的高通量光电催化表征装置。
我们知道氢气燃料后排放的是水蒸气,没有任何的污染。而氢气燃料电池汽车的量产标志着氢气使用技术的成熟以及民用化,将来氢气的使用量将会剧增。而目前大部分的氢气的来源还是石油、天然气、或者煤炭化工,仍然伴随着碳排放。光催化分解水制氢是使用太阳能来制备另一种清洁能源(氢气)的一种绿色环保的方法是一种对环境和能源都非常有利的技术。而光催化的材料通常是一种半导体材料的粉体或者薄膜。其中薄膜光催化在产氢的同时,在对电极上产生氧气或者降解有机污染物,从而更加容易收集氢气,而且光转化效率也更好一些,所以光电催化薄膜材料是一个研究前沿课题[1]。光催化的原理是半导体材料吸收光子后,电子激发后从基态的价带跃迁到导带上,而相应产生的空穴则留在价带上。在固液界面的耗尽层上,电子和空穴被内置电场驱使,分别向工作电极以及对电极上迁移,从而达到分离的效果。电子和空穴在阴极和阳极表面分别参加还原和氧化反应,分别产生氢气以及氧气(或者氧化有机分子)。这个过程的太阳能转化效率的高低,与半导体材料本身的带隙结构、电子迁移率、晶粒大小、表面积粗糙度、表面缺陷、表面催化剂等都紧密相关。所以光电催化薄膜材料的研发是一个综合的体系,需要考虑诸多的因素,从而在材料和结构的优化方面具有非常多的组合和可能性,使得光电催化薄膜材料的研发具有很大的难度和工作量。
而光电催化的表征本身也是一件费时费力的事情。所以我们研究光电催化薄膜材料的时候经常要面临一系列的样品的对比表征。需要对每个样品进行装载并进行光电催化的循环伏安、电流时间曲线、IPCE测试等等,是极为繁琐且耗时的过程。但是这些过程和测试手段却又都是模式化的和重复性的,也就是说这些过程都是可以使用自动化手段进行自动操作和测试的,这就为我们搭建高通量光电催化表征装置提供了可能性。在上海交通大学材料基因研究项目的支持下,我们自2015年年底开始进行自动化光电催化表征装置的设计和搭建工作,目前进展顺利,仪器已经初见雏形。
按照合同规定的内容,我们与合作方(乙方)进行合作研发搭建高通量光电催化表征装置。按照与乙方的协议,对仪器的搭建按照时间表对仪器研发的分任务进行分解,如表1所示。图1左是仪器系统的整体的设计原理图,该设备由三个部分组成,分别是自动机械手臂部分、光电化学反应器部分、以及光路系统部分。我们主要委托乙方设计制备的是自动机械手臂部分、光电化学反应器部分以及光路系统的接入和控制部分。图1右是集成了该系统的自动位移平台,样品台、以及光电化学反应器的系统的AutoCAD设计图纸。该设计将分散的几个部分集成在一台设备上,更加方便操作并且大大减小占地空间。
图1.上图为高通量光电催化表征装置设计原理图,下图为集成化的自动位移平台、样品台以及光电化学反应器系统。
按照这个目前任务已经完成过半,仪器的雏形已经搭建成功。如图2所示。自动位移和提拉平台使用步进伺服运动控制定位系统和免维护高精度直线运动模组保证每次测试样品的位置精确。仪器系统的控制软件是基于Microsoft.NET Framework 4.0平台,采用C#语言开发,C/S架构,通过RS485工业通信标准与硬件电路控制系统进行数据通信,可以实现自动位移定位、电解液抽注、电化学循环伏安测试以及电流-时间测试,同时结合Newport的ICPE测试系统对光电催化薄膜的IPCE进行表征。如此,该系统可以对系列的光电催化薄膜进行自动的系列测试和表征。可以大大节省人力并减小测试过程中的人为误差。该系统可以连续工作,也可以通过网络进行远程控制,包括中断实验以及重新设置试验参数和实验进程。
为了改进样品台承载样品的能力,以及避免出现漏液现象对样品测试的影响,我们设计了特殊结构的样品台,可以有效排空漏液。对单个样品、系列样品、样品芯片等等都可以进行测试。同时为了减小光电化学池的漏液现象,我们对常用的光电化学反应池的结构进行了重新设计,除了加固零件外,还对底部与样品接触部分采用双橡胶圈,可以更加有效防止测试过程中的漏液现象。因为漏液是导致高通量测试中断并且失败的最主要的原因。
图2. 仪器雏形图片、样品台、电路系统、以及位移台系统照片。
如表1的进度表所示,目前仪器已经完成自动化定位和提拉系统、以及样品台的设计和加工。样品的光电反应器也已经设计完成,正在加工当中。系统的软件控制系统也完成大的框架的设计。在仪器各种部件到位后即可开始整机的调试和运行。目前已经正在进行电气部件装配,接下来进行电气参数控制调试。按照目前的进度,我们将在规定期限内完成这套仪器的搭建和验收工作,同时可以将该仪器投入到光电催化以及电催化材料的材料基因组研究计划当中[2]。
表1:工作进度进展表格。
作者:张鹏,博士,特别研究员,
上海交通大学材料科学与工程学院。
Email:pengzhang2010@sjtu.edu.cn
参考文献
[1] Alan Kleiman, Peng Zhang, Yong-Sheng Hu, and Eric McFarland,Chemical Photoelectrocatalyst Discovery Using High-throughput Methods and Combinatorial Chemistry,On Solar Hydrogen & NanotechnologyEds. Chapter 15, Wiley (2009)
[2] Zhang, P.; Kleiman, A.; Hu, Y. and McFarland, E. et al. Oriented Ti doped hematite thin film as active photoanodes synthesized by facile APCVD, Energy Environ. Sci. 2011, 4 (3), 1020 – 1028.