一种实时同步追踪析氢量与电化学测试方法及装置与流程

本申请属于电化学领域，具体涉及一种实时同步追踪析氢量与电化学测试方法及装置。

背景技术：

随着经济的发展，腐蚀给国民经济带来的巨大损失越来越引起人们的重视，腐蚀防护成为现代科学技术研究的重要领域之一。随着科技进步，轻金属例如铝，镁等金属得到越来越广泛的应用，许多研究者开始利用电化学等测试手段对金属及其合金的腐蚀机理进行探究。

在进行金属腐蚀及多种电化学手段测试时，电极反应经常会伴随着生成氢气的逸出。往往可以通过反应生成物的量与电位或电流密度等关系可以解释有关腐蚀现象。因此，如何有效准确的测出氢气生成量，如何更直接的收集验证是否反应生成物均为氢气，如何可以更为直观地探究电位、电流与生成氢气的量之间的关系，成为电化学测试中一大考验。

传统的测量氢气生成量常采用失重法，直接将电解池放置在电子天平上，敞开体系中直接使氢气逸出。这样虽然可以直观测量氢气逸出量，但由于氢气逸出时带有水分子，会导致测量不准确，增大实验误差。此外氢气逸出量较少，失重测量要求天平精度更高，因此测量误差更大，且无法收集氢气进行验证。

其次，在电化学实时监测过程中，传统失重只能测出氢气失重总量，无法还原在每时每刻电位电流与析氢量之间的关系，也就无法更深一步发掘腐蚀反应机理。

基于上述原因，设计发明一种可以实时同步追踪析氢量与电化学测试方法就显得尤为必要。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的缺陷，本申请提出了一种同步追踪析氢量与电化学测试方法及该方法中所用的装置，该方法可以实现实时追踪。首先在测量电极反应生成氢气的基础上添加两台摄像机，对析氢量以及电极表面腐蚀情况进行实时摄像记录，结合电化学在线监测系统使得实验可以在任意时刻取得电位电流变化与析氢量之间的关系。并通过电极表面腐蚀情况加以对照，从而极大地方便了进一步相关电化学机理的探索研究。其次，本发明针对测量气体质量的方法进行了改进，不再采取传统失重测试。本发明通过容器内生成氢气，利用天平进行压力测量，并利用公式将其换算为气体压强。可测出较大天平示数变化，减小由测量引起的误差。再通过理想气体状态方程推导出气体生成的摩尔量，不存在失重法中存在的带出水分出现测量误差等因素。最后本发明在此基础上添加一根可封闭可开通导管。在实验结束后可开通导管将生成氢气引出收集，通过别的实验方法对氢气进行验证。本发明还在容器内设置温度计，一方面测量容器内温度，另一方面可以判断电解时溶液温度是否有变化，也可进一步分析温度对电化学测试的影响。

为了实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：

一种实时同步追踪析氢量与电化学测试方法，该方法是利用下述装置实现的：

该装置包括电解池，在电解池中插有工作电极、参比电极和pt电极，所述的工作电极外罩有圆筒1，所述的圆筒1的上部预留有部分体积；圆筒1通过杠杆8与电子天平7相连；所述的工作电极、参比电极和pt电极均与电化学工作站相连；所述的圆筒1的顶部安装有导管2，导管2的底部设置有开关阀5，且导管2的内部塞有脱脂棉4；另外该装置还包括两台实时摄像机，其中一台的镜头对准电子天平7，另一台镜头对准工作电极，且两台实时摄像机均与电脑相连；

所述的圆筒1上还设置有温度计3；

通过电化学测试，工作电极反应产生气体逸出，进入提前留有一定容积的圆筒1内；圆筒1与杠杆8相连，通过天平7示数的变化计算生成气体的压力，并附有两台摄像机6对天平示数及工作电极表面情况进行实时监测；圆筒1上附有导管2，电子温度计3及开关阀5，可以通过开关阀将产生气体导出收集，温度计记录容器内温度情况，导管上装有脱脂棉4，以吸取气体带出水分，纯净气体。

实时同步追踪析氢量与电化学测试方法，具体为：

通过记录天平示数，进而得出电解池中的析氢量；通过电化学工作站测试计算电荷量，进而电化学计算的氢气物质的量；最终实现析氢量测试和电化学测试的实时同步追踪。

利用天平示数，计算电解池中析氢量的步骤具体如下：

1)利用电子天平的读数，记为m，本次发明根据天平测量原理，计算气体对容器顶部压力大小：

fl1＝mgl2

其中：f——气体对内壁压力/nm——质量/kg

l1，l2——力臂(本装置l1＝l2)/m，g——9.8n/kg；

2)由于气体对容器内壁压力处处相等，利用天平测出气体对容器顶部压力大小后，容器上底面面积已知，可计算内部压强：

p＝f/s

其中：p——气体压强/paf——压力/n

s——受力面积/m²；

3)根据理想气体状态方程，又称理想气体定律、普适气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。在常温低压条件下，尤其对于氢气普遍适用：

pv＝nrt

其中：p——气体压强/pav——容器体积/m³

n——气体物质的量/mol

r——理想气体常数/r＝8.314j·mol^-1·k^-1

在已知容器体积，压强以及测得温度的情况下，可以准确算出生成氢气的物质的量。

此外，该发明在在玻璃圆筒上开有一可关闭孔通有导管，在气体完全收集后可打开此孔，导管内附有脱脂棉，吸收气体带出水分。可通过此处将生成气体进行收集验证反应生成气体产物。

(1)两台实时摄像机，连接电脑端。一台摄像机实时监控天平示数变化，一台摄像机实时监测圆筒装置内电极的逸出气体情况。结合电化学工作站实时同步观察电流或电位与析氢量、电极表面反应状况；(2)测试计算方法原理一套，利用测得气体压力进行压强计算，通过理想气体状态方程实现压力与生成气体物质的量推导；(3)自主设计电极外罩圆筒装置一套，提前预设一定量空气容积。附有导气装置一套，使得反应生成氢气可以导出被收集利用，圆筒内安置一探针式电子温度计实现筒内温度测量；(4)平衡装置及圆筒连接装置，包括平衡杠杆一副，电子天平一台。通过杠杆及天平测量反应生成气体压力。

实验通过实时监测记录天平示数换算反应生成气体压力，进一步得到容器内压强。在容积，温度可测情况下，可进一步算出产生气体的物质的量。通过添加导管和开关阀可以进一步验证气体产物。

通过两台摄像机实时记录天平示数及电极表面变化，在电化学工作站测试的同时结合电化学在线系统达到析氢量与电位或电流密度的同步测量，从而进一步探究金属发生电化学反应时的各种现象机理。

在电化学测试中有电极反应产生不溶于水的气体逸出(如氢气)，需要测量反应生成气体的量或判断气体类型。对探究电位或电流密度与析氢量或其它气体反应产物之间的关系，需要进行同步测量比较或探究相关电化学腐蚀机理，常温常压下(几个大气压下)均适用。

首先本发明实现了电化学测试与反应生成物之间的同步监测。装置采用实时监控测量电极析氢量，结合电化学在线监测系统可同步观察到不同时刻下析氢量与电位或电流密度等相关电化学参数之间的关系，并通过实时摄像观察电极表面腐蚀变化，对进一步探究相关腐蚀机理提供了巨大帮助。

其次测量析氢量的原理不同，本发明不同于传统失重测量手段，简单利用装置失去的重量算作气体逸出量。由于气体逸出量较少，质量变化很小，对天平测量要求精度变高，测量误差较大。而本装置首先采用杠杆与天平结合，测量容器顶部压力，并进一步换算气体压强。天平示数变化明显，测量误差减小。温度，容积已知的情况下，再利用理想气体状态方程在低压常温下可准确适用，直接计算得到氢气物质的量。

最后，本发明中间过程不存在气体逸出不完全或者由于气体沾水逸出导致测量出现误差。且该装置可以储存生成氢气，且由于添加开关阀可以使反应后对生成的氢气进行进一步收集实验验证，极大方便了类似电化学实验的研究。

本发明装置通过实时摄像及电化学在线监测系统，最终可实现电极反应析氢量，电位电流密度等相关电化学参数以及电极表面反应状态的实时同步测试，对研究相关电化学反应机理具有重要意义。

测量原理不同，不是简单的测量重量的办法。而是通过顶部压力从而推导出理想气体状态方程，所得结果也不是氢气质量，而是氢气所得物质的量；

由于测量原理不同导致测量方法不同，本发明通过施加杠杆原理利用天平对圆筒顶部压力进行测量，并利用杠杆对圆筒在水中进行悬空固定；

圆筒装置上安装了温度计以及导气装置，温度计在测量体系温度的同时也可以观察到反应过程中温度是否发生变化，此时是否对体系造成影响。而导气装置可导出收集生成的氢气，对生成物进行进一步实验验证；

关键在于在采用电化学在线测试的基础上实现电极反应析氢量与电极表面腐蚀情况的实时跟踪拍摄，实现电极反应析氢量，电位电流密度等相关电化学参数以及电极表面反应状态的实时同步测试。

其次测量气体的方法不同(利用压强)，所测得结果不同(本发明可直接运算得到气体物质的量)；

再次结构装置不同，不再是把整个容器放在天平上，简单测重量损失。而是利用杠杆固定圆筒，间接通过天平计算压力；

最后该方法与结构还可以储存生成氢气，且装置设计可以导出收集，验证产物。并添加温度计，除测量容器温度外，还可观察电极反应中温度是否有较大波动，排除干扰因素，进一步完善实验。

附图说明

图1为一种实时同步追踪析氢量与电化学测试方法及装置；

附图说明

图中1为外罩圆筒；2为与圆筒相连导管；3为探针式电子温度计；4为脱脂棉；5连接导管与圆筒的开关阀；6为实时摄像机；7为电子天平；8为杠杆装置；9电化学工作站(cs310电化学工作站，输力强modulab型电化学工作站等)。

具体实施方式

1.在研究铝的腐蚀机理过程中，将纯铝制成工作电极，外露反应面积为2cm²。在3.5％浓度的nacl溶液中，采用阴极极化法进行电化学测试。

在扫描阴极析氢反应过程时，由阴极扫描电位-1.49v开始至-2.0v结束，电流密度由-4.24×10-3acm-²变化至-0.0374acm-²，共进行了1193s。期间配合实时摄像天平示数共增加215.8506g，经计算得氢气物质的量为4.2690x10^-5mol。天平示数增加215.8506g，即m＝215.8506g,根据前面公式

fl1＝mgl2

装置设计中，力臂l1＝l2，计算得f＝2.11533588n，

取圆筒半径r为0.05m，预留圆筒上部未浸入水中高度h为0.05m，

s＝πr²

v＝sh

解得圆筒顶部面积s＝0.00785398m²；圆筒预留气体容积v＝3.92699x10^-4m²,

根据前面公式：

p＝f/s

解得压强p，r为常数(r＝8.314j·mol^-1·k^-1)，温度计测得t＝298k，则：

pv＝nrt

联立得氢气物质的量n＝4.2690x10^-5mol

而经电化学工作站测试可以做出电流-时间曲线计算电荷量为-8.2378c，由电化学计算的氢气物质的量为4.2689x10^-5mol。两者结果近似相等，说明该方法可以较为准确地测出析氢量

2.在0.35％的nacl溶液中，在研究2024铝合金腐蚀反应机理过程中，采用循环伏安法进行电化学测试。将2024铝合金制成工作电极，外露反应面积为2cm²。

在阴极扫描过程中，电位与电流密度由-1.2v(-1.57×10-4acm-2)变化至-2.0v(-7.18×10-3acm-2)，共进行847s。期间天平示数变化增加38.0282g，

即m＝38.0282g,根据前面公式

fl1＝mgl2

装置设计中，力臂l1＝l2，计算得f＝0.37267636n，

取圆筒半径r为0.05m，预留圆筒上部未浸入水中高度h为0.05m，

s＝πr²

v＝sh

解得圆筒顶部面积s＝0.00785398m²；圆筒预留气体容积v＝3.92699x10^-4m²,

根据前面公式：

p＝f/s

解得压强p，r为常数(r＝8.314j·mol^-1·k^-1)，温度计测得t＝298k，则：

pv＝nrt

联立得氢气物质的量n＝7.5210x10^-5mol。

而经电化学工作站测试可以做出电流-时间曲线计算电荷量为-1.4588c，由电化学计算的氢气物质的量为7.5597x10^-5mol。两者结果近似相等，说明该方法可以较为准确地测出析氢量。

同时在任意时刻都可以看到天平示数与此刻电流电位的变化，从而可以计算出任意电位下电极反应与析氢量变化关系；

通过电化学测试，工作电极反应产生气体逸出，进入提前留有一定容积的圆筒1内；圆筒1与杠杆8相连，通过天平7示数的变化计算生成气体的压力，并附有两台摄像机6对天平示数及工作电极表面情况进行实时监测；圆筒1上附有导管2，电子温度计3及开关阀5，可以通过开关阀将产生气体导出收集，温度计记录容器内温度情况，导管上装有脱脂棉4，以吸取气体带出水分，纯净气体。

实验通过实时监测记录天平示数换算反应生成气体压力，进一步得到容器内压强。在容积，温度可测情况下，可进一步算出产生气体的物质的量。通过添加导管和开关阀可以进一步验证气体产物。

通过两台摄像机实时记录天平示数及电极表面变化，在电化学工作站测试的同时结合电化学在线系统达到析氢量与电位或电流密度的同步测量，从而进一步探究金属发生电化学反应时的各种现象机理。