[发明专利]一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法

说明书

本发明涉及一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，包括混气装置、光信号传输系统、尾气分析装置、光信号采集及数据分析系统、实验平台装置；光信号传输系统包括光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二、光探测器二、锁相放大器、样品；实验平台装置由石英管、横式管式炉和热电偶，样品固定装置、光学装置抗振支撑台和管式炉透明窗口组成，通过极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位/空穴/电子浓度的变化，固体薄膜材料在不同氧分压状态下薄膜材料的光吸收系数呈线性变化，通过测试装置收集信号数据，从而准确和快速的得到薄膜材料的氧表面交换系数。

技术领域

本发明涉及一种光学测试装置，应用于燃料电池材料化学性能分析测试技术领域，具体是一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法。

背景技术

氧表面交换速率是限制氧还原/氧析出反应快慢的关键因素，也是制约固体氧化物燃料电池/电解池性能的关键之一。氧表面交换系数的类型主要有三种，包括同位素追踪交换系数(k^*)，电测定的表面交换系数(k_q)和化学表面交换系数(k_chem)，由于内部反应机理不同，不能直接进行对比，但可以通过热动力学因子进行换算。

测量氧表面交换系数的方法有多种，主要有同位素交换深度曲线法(IEDP)，用¹⁸O同位素在样品中的扩散曲线来拟合氧表面交换系数k^*，电化学阻抗谱法通过测量样品在该气氛下的面比电阻，根据材料内的体积氧浓度、温度、玻尔兹曼常数、电子电荷等参数可以计算出k_q，电导弛豫法是在极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位浓度变化，造成样品表面与体内存在化学势差，这一化学势差将引起氧空位的迁移和改变样品的电导率，通过拟合从迁移开始到平衡态曲线可测量k_chem，但电化学阻抗谱法和电导弛豫法都需要在样品表面涂敷金属收电层，而金属收电层在一定程度上会增加表面催化活性，促进其氧表面交换动力学，导致不能测得氧电极最原始表面的本征氧表面交换速率，存在一定的偏差。而IEDP法一个样品只能测一个条件的k^*，不能进行连续测试。

因此开发一种非接触式地，样品表面不需要涂敷金属Ag或者Pt收电层的，可连续测量样品本征的氧表面交换速率的装置，对研究材料性能以及设计更高效的电极材料具有重要的指导意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，可以以非接触的方式，快速准确且连续的对样品进行样品本征的氧表面交换速率检测。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种测定氧表面交换系数的光学装置及其使用方法，包括混气装置、光信号传输系统、尾气分析装置、光信号采集及数据分析系统；光信号传输系统由光源、滤光片、光学斩波系统、光线准直器、透镜一、分光镜、光探测器一、透镜二、光探测器二、锁相放大器、样品、实验平台装置由石英管、横式管式炉、热电偶、样品固定装置、光学装置抗振支撑台和管式炉透明窗口，所述的光学装置抗振支撑台周边布置混气装置、尾气分析装置和光信号采集及数据分析系统，光信号传输系统垂直于实验平台装置且固定安装在光学装置抗振支撑台上部表面；

通过采集样品的光吸收率和透射率随氧分压的变化，然后根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)，薄膜单色光强度衰减与光吸收系数(α)呈指数关系，具体表达式为：

式中，I为光强度，I_i为入射光强度，L为薄膜厚度。由于薄膜为氧表面交换动力学控制，根据菲克第二扩散定律，当氧分压发生改变时，透射光强度变化与光吸收系数的变化可用表达为如下方程：