液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置及检测方法

本发明涉及电化学及核磁共振波谱表征领域，具体而言，尤其涉及一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置及检测方法。

背景技术：

1、液流电池因其电解质溶液特性以及结构上的电荷和储能介质分离等特点而具有高能量密度、高扩展性、高灵活性、高安全性及长循环寿命等优良属性，在可再生能源大规模储存和快速响应、调节电网供需“削峰填谷”、高功率输出电源等场景下有着广阔的应用前景。研究电化学反应机理可以帮助人们深入理解电化学过程的基本原理，揭示电荷转移、离子迁移、物质转化等关键步骤的发生机制。深入了解反应机理有助于设计和优化电化学系统，包括电解液材料、电池隔膜、电极修饰方法等。从而调控和优化电化学反应的速率、效率和稳定性，提高电化学系统的性能和可靠性。

2、目前人们对于液流电池充放电机理的谱学研究目前仍处于起步阶段，大多数谱图的采集方法是在充放电的过程中取出一部分电解液进行相应的核磁共振或者电子顺磁共振等方法来监测反应过程物种的变化。

3、然而，电化学反应过程中间物种通常具有较高的活性，在取出样品的过程很可能会对样品产生影响甚至造成破坏。这样会极大影响谱图的有效性和结论的准确性。

技术实现思路

1、根据上述提出现有数据谱图的采集方法影响谱图的有效性和结论的准确性的技术问题，而提供一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置及检测方法。本发明主要通过发明一种原位核磁共振检测装置，从而起到无需取出充放电过程的电解液即可实现原位在线核磁共振检测的效果。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，包括核磁共振检测管、液流电池和储液瓶；

4、所述核磁共振检测管包括上部的储液部和下部的检测部，所述储液部的管径大于检测部的管径，所述检测部的下端插入至核磁共振谱仪的检测探头中，第一电解液设置于检测部和部分储液部内，所述第一电解液通过进液管和出液管与液流电池相连，所述进液管下端设置于储液部的第一电解液液面上端，所述出液管下端设置于检测部的下端，所述储液部上端设置有密封塞，所述进液管的另一端与液流电池的第一电极相连，所述出液管的另一端与液流电池的第一电极相连，所述液流电池设置有第一电极和第二电极，所述第二电极与储液瓶相连，所述储液瓶内设置有第二电解液，所述液流电池连接电化学工作站进行充放电循环。

5、进一步地，所述核磁共振检测管和液流电池间设置有流动泵，所述储液瓶和液流电池间设置有流动泵。

6、进一步地，当所述第一电解液为正极电解液时，所述第二电解液为负极电解液；当所述第一电解液为负极电解液时，所述第二电解液为正极电解液。

7、进一步地，所述检测部的外径为5mm，所述储液部的外径为16-18mm，所述储液部的内径为14mm。

8、进一步地，所述密封塞为橡胶翻口塞。

9、进一步地，所述进液管和出液管的外径为2mm，内径为1mm。

10、进一步地，所述进液管和出液管的材质为聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯或全氟烷氧基树脂中的一种。

11、进一步地，所述进液管和出液管中液体流速不超过30ml/min。

12、进一步地，所述流动泵为蠕动泵或磁力泵，所述流动泵与进液管和出液管之间使用适配的转接头。

13、本发明还提供了一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测方法，基于上述任意一项液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置实现，包括如下步骤：

14、s1、分别制备第一电解液和第二电解液；

15、s2、将第一电解液置于核磁共振检测管中，将第二电解液置于储液瓶中，将进液管和出液管与液流电池和核磁共振检测管连接；

16、s3、打开流动泵，设置液体流速，检验装置的密封性和循环的稳定性；

17、s4、将核磁共振检测管放置于核磁共振谱仪的检测探头中，优化核磁共振参数，使用核磁共振谱仪采集必要的一维或二维核磁共振谱图用于原始样品的结构解析；

18、s5、在核磁共振谱仪上设置连续采样核磁共振序列，每间隔一定时间采集一次1h核磁共振谱图，连续采集一定时间，设置电化学工作站的充放电程序；

19、s6、同时开启充放电和核磁共振采样，使用核磁共振谱仪采集原位核磁共振谱图；

20、s7、液流电池充放电过程中暂停充放电过程，采集必要的一维或二维核磁共振谱图用于中间态样品的结构解析。

21、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

22、充放电过程的电解液无需取出即可实现原位在线核磁共振检测，不会对样品造成任何损坏；

23、可以实现核磁共振连续采样，持续获取电化学过程物种的结构变化信息，相比于非原位实验能够获取更多有效信息；

24、装置通过导管出入口位置的设置，巧妙地排除了电化学反应过程中可能产生的气泡对核磁共振实验产生的干扰；

25、装置结构简单，成本低廉，使用时无需对核磁共振谱仪和电化学工作站进行改造，可沿用常规实验参数，操作便利；并可在测试过程中随时对电化学或者核磁共振参数进行调整，灵活性高。

技术特征：

1.一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于：包括核磁共振检测管(1)、液流电池(5)和储液瓶(6)；

2.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述核磁共振检测管(1)和液流电池(5)间设置有流动泵(4)，所述储液瓶(6)和液流电池(5)间设置有流动泵(4)。

3.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，当所述第一电解液为正极电解液时，所述第二电解液为负极电解液；当所述第一电解液为负极电解液时，所述第二电解液为正极电解液。

4.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述检测部(12)的外径为5mm，所述储液部(11)的外径为16-18mm，所述储液部(11)的内径为14mm。

5.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述密封塞(2)为橡胶翻口塞。

6.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述进液管(31)和出液管(32)的外径为2mm，内径为1mm。

7.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述进液管(31)和出液管(32)的材质为聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯或全氟烷氧基树脂中的一种。

8.根据权利要求1所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述进液管(31)和出液管(32)中液体流速不超过30ml/min。

9.根据权利要求2所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置，其特征在于，所述流动泵(4)为蠕动泵或磁力泵，所述流动泵(4)与进液管(31)和出液管(32)之间使用适配的转接头。

10.一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测方法，基于权利要求1-9中任意一项权利要求所述的液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明提供一种液流电池电化学过程的原位核磁共振检测装置及检测方法，涉及电化学及核磁共振波谱表征领域，包括核磁共振检测管、流动泵、液流电池和储液瓶；所述核磁共振检测管包括上部的储液部和下部的检测部，所述储液部的管径大于检测部的管径，所述检测部的下端插入至核磁共振检测探头中，所述储液部上端设置有密封塞，所述液流电池连接电化学工作站进行充放电循环。本发明能够将液流电池所使用的电解液导入到核磁共振检测探头中进行原位核磁共振检测。该设备成本低廉、安装便捷、使用安全，适用于液流电池充放电过程的原位监测和物种检验；也可适用于多种流动体系的在线核磁共振检测。

技术研发人员：侯广进,李帆,刘宪春
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15