多功能夾持式電化學實驗裝置制造方法
【專利摘要】多功能夾持式電化學實驗裝置，涉及電化學實驗裝置【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括基座、銅環(huán)、圓盤狀電極、工作電極、隔離墊、基蓋、上蓋、圓盤對電極、傳動軸、深溝軸承、環(huán)形攪拌器；基座為圓筒狀，圓筒內(nèi)部的通孔為功能區(qū)；基蓋的內(nèi)側(cè)壁與基座的外壁通過螺紋配合連接，基蓋的頂蓋部分設置有通孔；工作電極設置于圓盤狀電極的上表面與基蓋的頂蓋部分之間，并且通過銅環(huán)連接電源接口；隔離墊設置于工作電極與基蓋的下端面之間，隔離墊中心有開口；上蓋設置于夾層套管的上方，上蓋帶有圓盤對電極和參比電極；攪拌器通過軸承設置于上蓋的下方，攪拌器通過傳動軸與電機連接，傳動軸穿過上蓋的通孔。本發(fā)明方便維修和使用。
【專利說明】多功能夾持式電化學實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電化學實驗裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多功能夾持式電化學實驗裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電化學實驗中經(jīng)常需要在工作電極的單面進行電化學實驗，如金屬薄膜的沉 積、利用陽極氧化鋁模板（ΑΑ0)電化學沉積制備一維納米材料或進行涂層抗腐蝕電化學分 析等。為了避免因電解液滲入工作電極背面而發(fā)生不必要的反應，工作電極背面通常需要 做封裝處理，這使得實驗前后對工作電極的處理相當繁瑣。例如利用陽極氧化鋁模板（ΑΑ0) 電化學沉積納米材料時，十分易碎的模板將使得封裝變得尤為困難，難以得到完整的實驗 樣品。因此，開發(fā)一種夾持式的電化學實驗裝置避免繁瑣的封裝處理顯得十分必要。
[0003] 較強烈的電化學反應通常會產(chǎn)生大量的熱，使工作電極局部過熱從而嚴重影響反 應的進行，這就要求電解裝置有著良好的導熱性。而通常的電解裝置不具備恒溫功能或者 將其整體置于恒溫環(huán)境而達到控溫目的。然而這很難滿足會大量放熱需要強制冷或者對 溫度比較敏感需要精確控溫的情況。如王國華（王國華，華南理工大學碩士學位論文[D]， 2012)的論文中提到高場陽極氧化制備陽極氧化鋁模板的過程中由于電流密度較大放熱比 較劇烈，且模板質(zhì)量對溫度比較敏感，故需在底部采用制冷裝置才能滿足實驗要求，但其裝 置仍然很簡陋。其將電化學裝置整體放置于恒溫箱中實現(xiàn)控溫，通過空氣傳熱使電解液和 模板處于恒溫，但空氣傳熱效率低下難以勝任更強烈的放熱反應。此外，電解過程中的部分 配套裝置（如攪拌器）需要一同放入恒溫箱中，由于配套裝置的使用溫度限制將嚴重制約 此電解裝置的使用溫度。因而，發(fā)明一種更方便有效的恒溫裝置是十分必要的。
[0004] 光照和磁場對于某些電化學實驗尤為重要，如光照對于電化學制備N型多孔硅。N 型硅片需施加輔助光照產(chǎn)生光電子才能使反應順利進行。若在電解液正面直接對工作電極 施加輔助光照，電解液表面和內(nèi)部將分別反射和吸收輔助光照，從而影響輔助光照最終作 用到工作電極上的能量效果，故從電解液正面施加輔助光照存在光照在電解液中的透過率 問題。若將燈源置于電解液中直接對工作電極施加輔助光照又容易發(fā)生電解液的滲漏和腐 蝕問題，燈源將面臨嚴重的密封問題。因此，如何有效的施加輔助光照成為亟待解決的一個 難題。本發(fā)明提出了一個解決方案。
[0005] 外加偏置磁場可誘導致磁性材料在生長過程中的擇優(yōu)磁取向，從而得到更好的磁 各向異性能。這在一維磁性納米材料的制備中尤為明顯。如F. Tian等人（J. Phys. Chem. B2005, 109, 14852-14854)文中發(fā)現(xiàn)外加偏置磁場可使磁性納米線的矩磁比得到大幅的提 高，而文中偏置磁場的施加方式極為簡陋。直接在電解槽外部對應于工作電極的位置放置 永磁體施加偏置磁場，不僅難以保證可重復性，而且由于磁鐵和工作電極間的間距較大，作 用在工作電極上的有效偏置磁場強度將大大減小。
[0006] 另外，當工作電極面積較大時，為保證電流密度在工作電極上的均勻分布，通常需 采用比工作電極面積更大的圓盤對電極使工作電極上電流密度分布均勻。同時在反應較劇 烈或較精密的電化學實驗中，攪拌也是不可或缺的，因攪拌對減小濃差極化和增強物質(zhì)傳 輸尤為重要。通常機械攪拌配置在軸線位置，需占據(jù)大量電解槽內(nèi)軸線位置空間，而且圓盤 電極也將占據(jù)大量電解槽內(nèi)軸線位置空間，因而兩者難以兼顧。邊緣部位配置的機械攪拌 裝置受安裝位置和攪拌葉漿的直徑的嚴重限制，難以起到充分攪拌的作用。因而采用圓盤 電極使機械攪拌裝置實現(xiàn)。磁力攪拌是另一種在實驗中常用的攪拌方式，通常磁力攪拌子 置于容器底部，其底部正下方放置有由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的永磁體，再通過旋轉(zhuǎn)永磁體和攪拌 磁子的磁力吸引而實現(xiàn)攪拌。但在夾持式電解裝置的底部設有工作電極，磁力攪拌子無法 放置，且在沉積磁性材料時，磁力攪拌子和底部下方的永磁鐵的強磁性都將對沉積的磁性 材料帶來不可控的影響。因而在采用夾持式的電化學實驗裝置中，磁力攪拌也不能使用。因 此如何兼顧圓盤狀對電極和攪拌成為一項亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種集成恒溫、外加輔助光照或偏置磁場功 能，并兼顧圓盤狀對電極和攪拌的多功能夾持式電化學實驗裝置。
[0008] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，多功能夾持式電化學實驗裝置，其 特征在于，包括基座、銅環(huán)、圓盤狀電極、工作電極、隔離墊、基蓋、上蓋、圓盤對電極、傳動 軸、深溝軸承、環(huán)形攪拌器；
[0009] 基座為圓筒狀，圓筒內(nèi)部的通孔為功能區(qū)；
[0010] 基蓋的內(nèi)側(cè)壁與基座的外壁通過螺紋配合連接，基蓋的頂蓋部分設置有通孔；
[0011] 工作電極設置于圓盤狀電極的上表面與基蓋的頂蓋部分之間，并且通過銅環(huán)連接 電源接口；
[0012] 隔離墊設置于工作電極與基蓋的下端面之間，隔離墊中心有開口；
[0013] 上蓋設置于夾層套管的上方，上蓋帶有圓盤對電極和參比電極；
[0014] 攪拌器通過軸承設置于上蓋的下方，攪拌器通過傳動軸與電機連接，傳動軸穿過 上蓋的通孔。
[0015] 所述通直墊包括重疊設置中心開孔的橡膠墊和聚四氟乙烯墊，通過調(diào)節(jié)開孔的形 狀和大小可以控制工作電極的沉積區(qū)域。所述功能區(qū)內(nèi)設置有下述功能單元之一種或者多 種：
[0016] 恒溫水循環(huán)單元、光照單元、偏置磁場單元。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：在采用夾持式的方式固定，且采用可更換的圓盤狀電極方 便維修和使用；同時采用由中心有開孔的橡膠墊和聚四氟乙烯墊重疊設置而成的隔離墊， 通過控制其開孔形狀和大小可控制工作電極的沉積區(qū)域；采用可替換的多功能單元集成實 現(xiàn)了恒溫、外加輔助光照或偏置磁場功能。恒溫功能由夾層套管和恒溫水循環(huán)單元共同實 現(xiàn)，夾層套管的內(nèi)管作為電解槽，可對電解液實現(xiàn)控溫，恒溫水循環(huán)單元位于圓盤狀電極底 部，可通過其對工作電極實現(xiàn)控溫，從而更有效的對整個實驗體系實現(xiàn)控溫；外加輔助光照 功能由基座底部的光照單元實現(xiàn)，通過控制光照單元中光源功率大小直接對工作電極背面 施加不同強度的光照，避免了內(nèi)部光源的密封和光透過率問題；外加偏置磁場功能由偏置 磁場單元（如釹鐵硼永磁體）實現(xiàn)，在軸向方向?qū)ぷ麟姌O施加偏置磁場，通過采用不同磁 場強度的偏置磁場單元可對工作電極施加不同強度的偏置磁場，且由于其緊靠工作電極， 中間僅間隔圓盤電極，氣隙很小故可使施加在工作電極上的有效磁場強度最大化。同時偏 置磁場單元的位置與工作電極位置固定，因而亦可保證實驗的可重復性。同時環(huán)形攪拌器 可在使用圓盤狀對電極時仍能對電解液實現(xiàn)有效的攪拌，在采用圓盤狀對電極獲得均勻分 布的電流密度的同時可增強降攪拌以低濃差極化和增強物質(zhì)傳輸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明多功能夾持式電化學實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 其中圖la為整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖lb為恒溫水循環(huán)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，圖lc為光 照單元的結(jié)構(gòu)示意圖，圖Id為偏置磁場單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中：1_基座，2-恒溫水循環(huán)單元，3-光照單元，4-偏置磁場單元，5-銅環(huán)，6-圓 盤狀電極，7-工作電極，8-橡膠墊，9-聚四氟乙烯墊，10-基蓋，11-0型密封圈，12-夾層套 管，13-上蓋，14-參比電極，15-圓盤對電極，16-電機，17-傳動軸，18-深溝軸承，19-環(huán)形 攪拌器，20-電源，21-功能區(qū)。
[0021] 圖2為采用此裝置恒溫水循環(huán)單元和環(huán)形攪拌器制備的陽極氧化鋁模板背面照 片。
[0022] 圖3為采用此裝置光照單元的陽極氧化硅電流-時間曲線圖。3條曲線從上到下 依次為：50W光照、35W光照、無光照。
[0023] 圖4沉積完銅鈷分層納米線后的ΑΑ0模板
[0024] 圖5采用偏置磁場單元制備的銅鈷分層納米線磁滯回線圖

【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明包含夾持式固定單元和電源，其中夾持式固定單元從下到上依次為基座1、 銅環(huán)5、圓盤狀電極6、工作電極7、橡膠墊8、聚四氟乙烯墊9和基蓋10,基座底部可放置恒 溫系統(tǒng)，此系統(tǒng)由恒溫水循環(huán)單元與夾層套管組成，可外接恒溫水循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫功能； 所述基座底部也可放置光照單元，以此施加輔助光照；所述基座底部也可放置偏置磁場單 元，以此施加軸向偏置磁場；裝置頂部為一傳動軸帶動的環(huán)形攪拌器。
[0026] 所述夾層套管12由內(nèi)管、外管、封閉兩端口的同心圓環(huán)以及進水管和出水管構(gòu) 成，內(nèi)管作為電解槽，進水管和出水管分別位于外管對稱的上下位置，與恒溫水循環(huán)單元一 起構(gòu)成恒溫系統(tǒng)。恒溫水循環(huán)單元為底部接有進出水管的中空銅柱，銅柱外徑與基座底部 通孔內(nèi)徑相匹配。
[0027] 光照單元為孔徑與基座底部通孔內(nèi)徑相匹配的光源，通過控制光源功率大小可控 制輔助光照強度。偏置磁場單元為外徑與基座底部通孔內(nèi)徑相匹配的圓柱形永磁鐵（如釹 鐵硼永磁體），頂部緊貼圓盤狀電極或工作電極。
[0028] 環(huán)形攪拌器呈圓筒狀，頂部設有呈圓周分布的方形通孔，由傳動軸帶動，中部設有 攪拌葉漿，頂端與固定在上蓋凹槽內(nèi)的深溝軸承相連。
[0029] 如圖1所示，基座1上方固定有銅環(huán)5,銅環(huán)下方有銅棒引出通過導線連接電源 20,銅環(huán)上方依次放置圓盤狀電極6和工作電極7,圓盤狀電極6主要起導電和支撐工作電 極作用，工作電極7通過圓盤狀電極6和銅環(huán)5與外電路連通；工作電極7上方從下到上依 次放置橡膠墊8和聚四氟乙烯墊9以密封和支撐工作電極，基蓋10和基座分別加工有相匹 配的外螺紋和內(nèi)螺紋可旋緊固定工作電極，工作電極通過橡膠墊、聚四氟乙烯墊和基蓋的 開口與電解液接觸參與反應，而接觸面積由橡膠墊和聚四氟乙烯墊的形狀和大小決定；基 蓋上方外緣有圓形凹槽放置0型密封圈11，將夾層套管12嵌入凹槽中并經(jīng)0型密封圈11 密封后構(gòu)成電解槽；將環(huán)形攪拌器19固定在深溝軸承18內(nèi)壁，再將深溝軸承外壁固定在上 蓋13的圓型凹槽中，環(huán)形攪拌器通過加工有齒輪的傳動軸17傳動；最后將參比電極14和 圓盤對電極15固定在上蓋中并調(diào)節(jié)好距離后與電源20相連，就可根據(jù)不同的功能單元實 現(xiàn)不同功能的電化學實驗。
[0030] 實施例1
[0031] 1)將99. 999%的高純鋁箔裁剪成一定尺寸后經(jīng)無水乙醇清洗干燥后作為工作電 極，如上述組裝好電解裝置后將恒溫水循環(huán)單元2從底部放入基座通孔中緊貼圓盤電極， 通過圓盤電極實現(xiàn)對工作電極即鋁箔的傳熱，并將夾層套管和恒溫水循環(huán)單元的進出水口 分別和帶外循環(huán)功能的制冷機相連。在電解槽中倒入體積比1:4的65%高氯酸和99. 5% 無水乙醇溶液，溫度維持在5°C。將工作電極即鋁箔作為陽極20V下電解拋光5-15min。電 解拋光過程環(huán)形攪拌器保持快速攪拌。電解拋光結(jié)束后用去離子水清洗。
[0032] 2)在電解槽中倒入0. 3M草酸溶液保持溫度在1°C，以拋光后鋁箔作為陽極在40V 電壓下電解l〇min，然后以0. 2-0. 5V/s的速度將電壓增大到120V電解30min后關(guān)閉電源， 電解過程中環(huán)形攪拌器保持快速攪拌。倒出電解液，經(jīng)去離子水清洗后取出即得單面氧化 的陽極氧化鋁模板。用飽和氯化銅溶液去除未反應的鋁基底，再在40°C的5wt%中溶解背 底阻擋層90min即可得雙通陽極氧化鋁模板。雙通陽極氧化鋁模板去阻擋層后背面圖如圖 2所示，孔徑在150nm左右，孔間距約250nm，且一致性較好，制得的陽極氧化鋁模板可重復 性很好，為發(fā)生燒毀或氧化不均勻現(xiàn)象。而不施加攪拌或者停止外部水冷循環(huán)時，在升壓過 程中極易出現(xiàn)燒毀鋁片這這氧化不均勻的情況。因而正面此裝置的水循環(huán)單元和環(huán)形攪拌 單元能起到很好的作用。
[0033] 實施例2
[0034] 將2英寸0. 4mm厚N型〈100>晶向18-20Qcm的硅片作為工作電極，不用底部的 圓盤狀電極直接將硅片放置于銅環(huán)上作為工作電極后組裝好電解裝置。將光照單元從底部 放入底座通孔處，燈源為35W和50瓦的鹵素燈，保證燈光直接照射下硅片背面。在電解槽 中加入2. 5% HF水溶液，硅片做陽極在1-5V電壓下電解lOmin后關(guān)閉電源，倒出腐蝕液，用 去離子水清洗后取出硅片。如圖3所示，為加輔助光照的時電解電流非常之小，反應速度極 慢。而施加輔助光照后電流增大九到十倍，說明輔助光照對其反應的影響顯著，此裝置的光 照單元作用明顯。
[0035] 實施例3
[0036] 將鍍有金導電層的雙通陽極氧化鋁模板（AAO)的金面放置于圓盤狀電極上后組 裝好電解裝置。將偏置磁場單元從底部放入底座通孔中并緊貼圓盤狀電極背面。將背面鍍 有銅導電層的AAO模板作為工作電極緊貼圓盤電極放置，再在AAO模板上方放置隔離墊，最 后旋緊基蓋固定。用高斯計測量在模板表面磁場強度為0.56T。在電解槽中加入0. 1M硫酸 鈷、0. 01M硫酸銅溶液，調(diào)節(jié)pH至4。連接好電源后采用-1. 0V和-0. 5V下各30s脈沖沉積 3000s制備銅鈷分層納米線后關(guān)閉電源，倒出電解液，去離子水清洗后取出模板。如圖4為 沉積完銅鈷分層納米線的AAO模板，深色扇形區(qū)域為通過隔離墊開口調(diào)節(jié)的沉積區(qū)域，模 板保持完整未破損。通過PPMS (綜合物性測量系統(tǒng)）測得施加偏置磁場后銅鈷分層納米線 的磁滯回線，如圖5為施加偏置磁場后的銅鈷分層納米線磁滯回線，其中//表示測試磁場 平行于納米線長度方向，垂直表示測試磁場垂直于納米線長度方向。由圖可看出施加偏置 磁場后的銅鈷分層納米線體現(xiàn)出很強的磁各向異性，說明施加輔助磁場可明顯的誘導其磁 性各向異性取向，說明此裝置所施加的偏置磁場的有效性。
【權(quán)利要求】
1. 多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，包括基座（1)、銅環(huán)（5)、圓盤狀電極 (6) 、工作電極（7)、隔離墊、基蓋（10)、上蓋（13)、圓盤狀對電極（15)、傳動軸（17)、深溝軸 承（18)、環(huán)形攪拌器（19); 基座（10為圓筒狀，圓筒內(nèi)部的通孔為功能區(qū)（21); 工作電極（7)設置于基座（1)的上端面與基蓋（10)的頂蓋部分之間，并且通過銅環(huán) (5)連接電源接口； 隔離墊設置于工作電極（7)與基蓋（10)的下端面之間，隔離墊中心有開口； 環(huán)形攪拌器（19)通過深溝軸承（18)設置于上蓋（13)的下方，環(huán)形攪拌器（19)通過 傳動軸（17)與電機（16)連接，傳動軸（17)穿過上蓋（13)的通孔，同時上蓋（13)下方設 置有圓盤狀對電極（15)。
2. 如權(quán)利要求1所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述隔離墊包括 重疊設置中心有開孔的橡膠墊（8)和聚四氟乙烯墊（9)。
3. 如權(quán)利要求1所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述作工作電極 (7) 與基座（1)的頂面之間設置有可更換的圓盤狀電極（6)和銅環(huán)（5);銅環(huán)（5)沿基座 (1)的頂面設置，并通過導線連接電源接口。
4. 如權(quán)利要求1所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述功能區(qū)內(nèi)設 置有下述功能單元之一種或者多種： 恒溫水循環(huán)單元、光照單元、偏置磁場單元。
5. 如權(quán)利要求3所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述恒溫水循環(huán) 單元為底部接有進出水管的中空銅柱，銅柱外徑與基座底部通孔內(nèi)徑相匹配。
6. 如權(quán)利要求3所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述光照單元為 孔徑與基座底部通孔內(nèi)徑相匹配的光源。
7. 如權(quán)利要求3所述的多功能夾持式電化學實驗裝置，其特征在于，所述偏置磁場組 件為外徑與基座底部通孔內(nèi)徑相匹配的圓柱形永磁鐵，頂部緊貼圓盤狀電極或工作電極。
【文檔編號】G01N27/26GK104155352SQ201410347236
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】韓滿貴, 唐中開, 吳燕輝 申請人:電子科技大學