1.本发明涉及固液界面单纳米气泡电化学研究技术领域，具体涉及一种离子液体调控单个氢气纳米气泡产生的方法。
背景技术：
2.气泡广泛存在于各种工业过程中，且对反应过程或产品质量影响较大。特别是电化学催化反应过程，在不断产生气体的电催化过程中，气体作为反应物或产物在电极表面形成气泡是不可避免的，而被气泡覆盖的电极表面会导致电解催化的有效活性面积减少，从而降低电催化反应效率。因此研究电化学过程中电极表面气泡的产生对反应效率的影响是十分必要的。由于纳米气泡是气泡成核的最小单位，于是将纳米气泡作为研究对象来探究电化学过程中电极表面气泡成核微观本质。
3.目前纳米气泡的研究手段有原子力显微镜、荧光成像显微镜、透射电镜等方法，纳米气泡具有尺寸小、成核速度快等特点，这些方法存在一定的时间和空间限制，难以捕捉成核的瞬间。使用纳米电极可以控制单个纳米气泡的成核，研究单个纳米气泡具有较高的时间精度，可以轻易捕捉到成核过程微弱电信号，对研究单个纳米气泡的成核机理意义重大。
4.电催化过程中电解质的优化被广泛研究，其中添加离子液体作电解质是提高反应效率的有效方法之一。离子液体由阳、阴离子组成，具有宽电化学窗口、极低挥发性、高离子传导性和低熔点等特殊性质。与常规电催化体系中使用的传统电解质相比，离子液体作为电解质有腐蚀性低，循环性好、降低反应活化能等优势，因此离子液体在电催化中作为电解质被广泛应用。
5.本发明专利开发了一种离子液体作为添加剂调控单个氢气纳米气泡产生的方法，该方法以纳米电极为工作电极，在添加离子液体的水溶液中发生电化学反应，在纳米电极表面可控产生单个氢气纳米气泡。该方法可在固体表面稳定产生单个纳米气泡，重复性和稳定性好，而且操作简单。稳定产生本发明专利为界面纳米气泡本质特征研究提供了一种高效简便的方法，同时也有助于实现电化学反应中电极界面气泡行为的调控，指导电催化剂界面的设计从而提高反应效率。
技术实现要素：
6.本发明提出了一种离子液体调控单个氢气纳米气泡产生的方法，电解质为添加离子液体后的水溶液，在纳米尺寸的铂电极上进行电解水析氢反应，实时监测电流变化，调控铂纳米电极表面产生单个氢气纳米气泡，同时记录电流突变。
7.本发明具体实施方案如下：
8.本发明在离子液体中调控单个氢气纳米气泡产生的方法包括以下步骤：
9.1)选择不同类型离子液体作为添加剂，配置成不同浓度的离子液体水溶液，向溶液中通入惰性气体除去体系中的氧气；
10.2)在电解液、对电极和参比电极的存在下，纳米尺寸的铂电极作为工作电极，在除
氧后的离子液体水溶液中进行循环伏安扫描，改变扫速，监测电流变化，记录单个氢气纳米气泡成核时的电流突变信号；
11.3)单次循环伏安扫描结束后，施加开路电势(ocp)控制后再进行下一次循环伏安扫描。
12.步骤1)中使用的离子液体分别为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([bmim][bf4])，1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氢盐([bmim][h2po4])，1-甲基-3-丁基咪唑硝酸盐([bmim][no3])，1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([bmim][hso4])和1-丁基咪唑硫酸氢盐([bim][hso4])中的一种或两种以上，其中离子液体浓度为0.1～2mol/l，除氧的惰性气体为氩气或氮气，气速30～100ml/min，除氧时间10～30min。
[0013]
选用离子液体的结构式如下：
[0014]
[bmim][bf4]的结构式：
[0015][0016]
[bmim][h2po4]的结构式：
[0017][0018]
[bmim][no3]的结构式：
[0019][0020]
[bmim][hso4]的结构式：
[0021][0022]
[bim][hso4]的结构式：
[0023][0024]
步骤2)在双层法拉第屏蔽笼内进行，使用的铂纳米电极尺寸1～100nm，伏安测试电压扫描速度50～100mv/s，电压范围0～-1.8v；实时监测电流变化，纳米气泡形成时会覆盖电极表面，电极表面上被遮盖的活性位点不继续参与反应，导致监测到的电流值急剧减小，因此电流发生突变时表明氢气纳米气泡在铂纳米电极表面成核，同时记录电流突变时对应的电位和电流值。
[0025]
步骤3)单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制后再进行下一次循环伏安扫描，使电极表面吸附的离子液体阳离子得以离开，并使电极表面恢复初始状态。
具体实施方式
[0026]
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明。
[0027]
实施例1
[0028]
配置离子液体[bmim][bf4]水溶液，离子液体浓度为0.1mol/l，通入30ml/min的氩气，除氧10min。使用半径为10nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.8v，扫描速度100mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，此时纳米气泡成核并形成单个氢气纳米气泡；成核电位为-1.72v，成核峰值电流为-5.09na，临界成核浓度为0.147mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0029]
实施例2
[0030]
配置离子液体[bmim][bf4]水溶液，离子液体浓度为0.5mol/l，除氧的氩气气速50ml/min，除氧时间20min。使用半径为30nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极；循环伏安测试电压范围0～-1.8v，扫描速度100mv/s。随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-1.64v，成核峰值电流为-12.90na，临界成核浓度为0.124mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0031]
实施例3
[0032]
配置离子液体[bmim][bf4]水溶液，离子液体浓度为1mol/l，除氧的氩气气速70ml/min，除氧时间30min。使用半径为67nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.8v，扫描速度100mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-1.69v，成核峰值电流为-24.32na，临界成核浓度为0.105mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0033]
实施例4
[0034]
配置离子液体[bmim][bf4]水溶液，离子液体浓度为2mol/l，除氧的氩气气速80ml/min，除氧时间20min。使用半径为3nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-2.0v，扫描速度100mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-1.78v，成核峰值电流为-1.42na，临界成核浓度为0.136mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0035]
实施例5
[0036]
配置离子液体[bmim][no3]水溶液，离子液体浓度为2mol/l，除氧的氩气气速90ml/min，除氧时间20min。使用半径为5nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，
pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.8v，扫描速度100mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-1.65v，成核峰值电流为-1.45na，临界成核浓度为0.083mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0037]
实施例6
[0038]
配置离子液体[bmim][hso4]水溶液，离子液体浓度为1mol/l，除氧的氩气气速100ml/min，除氧时间20min。使用半径为5nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.0v，扫描速度50mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-0.46v，成核峰值电流为-0.93na，临界成核浓度为0.054mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0039]
实施例7
[0040]
配置离子液体[bmim][h2po4]水溶液，离子液体浓度为2mol/l，除氧的氩气气速50ml/min，除氧时间20min。使用半径为10nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.8v，扫描速度100mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-1.94v，成核峰值电流为-4.23na，临界成核浓度为0.122mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。
[0041]
实施例8
[0042]
配置离子液体[bim][hso4]水溶液，离子液体浓度为1mol/l，除氧的氩气气速50ml/min，除氧时间20min。使用半径为5nm的铂纳米电极做工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为对电极。循环伏安测试电压范围0～-1.0v，扫描速度50mv/s；随着电位变负，电解水析氢反应更快，纳米气泡成核后迅速覆盖电极表面，导致电流突变，其中电流突变可作为纳米气泡成核的特征依据；成核电位为-0.58v，成核峰值电流为-1.31na，临界成核浓度为0.075mol/l。单次循环伏安扫描结束后，施加30s的ocp控制用于稳定和恢复电极表面状态，再进行下一次循环伏安扫描。