光谱电化学同步测量实验指南

光谱电化学测量可以理解为在电化学反应过程中同时测量电极附近的试样溶液的光谱变化。该法可在研究电极过程实验中,同时获取电化学变量(电流,电量和电势)和光谱学变量(透光,吸光,反射)的信息,从而有助于进一步对电极过程的机理和中间体的解析以及对产物的表征等的研究。

一般情况下,光谱电化学测量除了需要要同时使用一台恒电位仪和一台光谱仪之外,其特点在于需该测量要使用一个特殊的工作电极-"透光电极", 和一个特殊的测量池-"薄层光谱池”。并且进一步通过电位仪(硬件/软件)对光谱仪(硬件/软件)进行触发控制实现光谱电化学同步测量。 在此以Model2325和SEC2020光谱仪系统为例,介绍如何进行触发控制(硬件/软件)设置,进而实现光谱电化学同步测量。

SEC2020 光谱仪系统
光谱电化学同步测量系统 (SEC2020+Model 2325)

在进行触发控制时SEC2020光谱仪附带的触发连接线(trigger-input),与Model2325双恒电位仪的触发信号输出线(trigger-output)进行控制连接,实现恒电位仪(控制软件)对光谱仪(控制软件)进行测量的触发控制,实现两者的同步测量。 触发控制简单来说分成两大部分构成。硬件设置(Model2325和SEC2020设备的触发控制连接),和软件设置(Model2325软件的触发信号输出,和SEC2020软件的触发信号输入设定)。上图为设置完成的系统外观。

触发测量模式

SEC2020光谱仪系统中的SEC2021光谱仪的I/O连接端口带有"信号输出"和"信号输入"功能。将光谱仪的各个"信号输出" 端口(#4,#5, #6)与SEC2022光源连接, 从而可以通过光谱仪控制软件对SEC2022光源进行自动控制操作(快门,氘灯,钨卤灯的开关。亦可通过"触发输入"端口(#7)接受外部设备(电位仪)的"触发输出"控制信号,与外部设备进行自动同步测量。进行触发控制时,只需将触发连接线和对应的引脚进行连接便可方便的实现各种自动控制功能。

  • 光谱电化学同步测量系统之硬件构成
  • 触发线之连接方法
  • 薄层测量池SEC-C
  • 软件之同步测量设定

光谱电化学同步测量系统之硬件构成

栏目将为您介绍使用Model2325双恒电位仪(产品编号013345)进行电化学测量,使用SEC2020光谱仪系统进行光谱测量的 系统基本构成和光谱电化学同步测量的系统设置(上图为SEC2020+Model 2325进行光谱电化学同步测量的实验体系)

光谱电化学同步测量系统的硬件体系,主要由三大部分组成 1)光谱仪(SEC2020),2)电位仪(Model2325), 3)光谱电化学反应池(本例中的SEC-C薄层石英玻璃光谱化学电池套件,以及其它配件)。 下面分别介绍这3大组成部分。

1)SEC2020 光谱仪系统(触发指令接受设备,光谱测量

不同与通常的光谱测量控制,在进行光谱电化学同步测量控制时,光谱仪需要与外部触发控制信号输入线(Signal-in cable)连接,以接受外部设备的触发控制。以下列出了光谱仪系统使用的各个部件。

 图1 光谱仪系统各部件
           图1 SEC2020光谱仪系统各组成部件
各部件名称
1)  SEC2021光谱仪
    1a)  光谱仪入光口保护盖
2)   SEC2022 氘卤光源
    2a)  光源出光口保护盖
3)   比色皿池座
4)   光纤准直透镜
5)   SMA905型遮光螺帽(比色皿池座用 )
6)  SEC2024 底座
7)  光源遥控/触发控制一体化连线


2)Model 2325 双恒电位仪 (触发指令输出设备,电化学测量

使用Model2325双恒电位仪(产品编号013354)进行光谱电化学同步测量控制时,其背面的信号输出I/O端口(9针)应与其附带的外部信号输出线(Signal-out cable)连接,然后再与SEC2020光谱仪的外部触发控制信号输入线进行对接,以实现Model 2325控制软件(产品编号013349)对外部设备(SEC2021光谱仪)控制软件的触发同步测量控制。


图2 Model 2325双恒电位
图2 Model 2325双恒电位仪背面接线
  图2 Model 2325双恒电位仪


背面接线名称
1)  USB线(连接电脑)
2)  信号输出I/O端口连接线
3)  电源线
4)  接地线

3)SEC-C 石英玻璃薄层光谱电化学池套件及附件

               图3 SEC-C 石英玻璃薄层光谱电化学池套件和参比电极
           图3 SEC-C 石英玻璃薄层光谱电化学池套件和参比电极

各部件名称

013510  SEC-C 石英玻璃薄层光谱电化学池套件(铂)
        (011501)  SEC-C 特氟龙池盖
        (013512)   SEC-C 石英玻璃薄层光谱电化学池
        (011498)  SEC-C 铂丝纱网工作电极
        (012906)  SEC-C 用铂对电极

013613  RE-1BP参比电极 (Ag/AgCl)

               图4  印刷电极用IC夹
                      图4 印刷电极用IC夹

由于SEC-C 铂丝纱网工作电极(011498)铂丝导线的直径为0.5 mm ,因此非常脆弱容易弯曲折。请勿将电位仪的鳄鱼夹直接夹在其上面。
为防止电极损坏,建议使用图4 印刷电极用IC夹进行电极与电位仪之间的连接。

011840   印刷电极用IC夹(4个装)

触发控制线之连接方法

SEC2020光谱仪系统中的SEC2021光谱仪的I/O连接端口带有"触发输出"和"触发输入"功能。通过光谱仪的"触发输出" 端口(#4,#5, #6)与SEC2022光源连接, 从而可以通过光谱仪控制软件SEC2022光源进行自动控制操作(快门, 氘灯,钨卤灯的开关。亦可通过"触发输入"端口(#7)接受外部设备(电位仪)的"触发输出"控制信号,与外部设备进行自动同步测量。进行触发控制时,只需将触发连接线和对应的引脚进行连接便可方便的实现各种自动控制功能。

1)SEC2020光谱仪触发控制线连接

按照SEC2020光谱仪安装视频指南步骤将光谱仪各个部件进行连接之外,为了实现光谱电化学同步测量,需要在光谱仪系统上连接外部信号线。 一般在触发控制时同时需要用软件对光源进行自动控制。我们选择SEC2020光谱仪系统(产品编号013609) 附带的光源遥控/触发控制一体化连接线,与SEC2020光谱仪系统(SEC2021光谱仪,SEC2020光源)进行触发连接(图2-1)。

                        图2-1 光源遥控/触发控制一体化连接线与光谱仪系统连接端口
           图2-1 光源遥控/触发控制一体化连接线与光谱仪系统连接端口


光源遥控/触发控制一体化连接线;
(a) 8线接头(与SEC2021光谱仪(A)处连接
(b) 6线接头(与SEC2022光源(B)处连接)
① 触发信号输入线( 棕色)
② 触发接地线( 黑色)




SEC2020光谱仪系统外接I/O端口
(A) SEC2021 光谱仪I/O端口
(B)SEC2022光源I/O端口

                        图2-2 光谱仪系统硬件触发连接完成
            图2-2 光谱仪系统硬件触发线连接完成




将图2-1的光源遥控/触发控制一体化连接线的8线接头(a)与SEC2021光谱仪的I/O连接端口(A)连接。
将6线接头(b)与SEC2022光源的I/O连接端口(B)连接。

2)Model 2325 双恒电位仪触发控制线连接

图2-3 Model 2325 双恒电位仪背面端口图2-3 Model 2325 双恒电位仪背面I/O端口
图2-4 Model2325 用遥控连接线之触发控制线图2-4 Model2325 用遥控连接线之触发控制线


3)Model 2325 双恒电位仪与SE2020光谱仪的触发控制线对接

将Model 2325双恒电位遥控线的V_RDE与 SEC2020光谱仪外部触发控制线的线对接,将Model 2325双恒电位遥控线的AGND与 SEC2020光谱仪外部触发控制线的线对接, 完成电位仪和光谱仪硬件的触发控制线连接。
对接列表如下:

SEC2020 光谱仪系统触发控制输入线 Model 2325触发控制输出线
触发信号输入线( 棕色)


V_RDE 电压输出(0~10V)
对应RDE转速0~10000rpm控制输出。
5000rpm 转速控制时的输出电压为5V,可用作触发控制信号输出。
触发接地线( 黑色)

AGND 模拟接地


图2-5  SEC2020触发控制输入线和 Model 2325触发控制输出线对接完成
图2-5 SEC2020触发控制输入线和 Model 2325触发控制输出线对接完成


SEC-C光谱电化学薄层池的设置和连接

光谱电化学测量除了需要要同时使用一台恒电位仪和一台光谱仪之外,其特点在于需该测量要使用一个特殊的工作电极-"透光电极", 和一个特殊的测量池-"薄层光谱池”。
SEC-C薄层石英玻璃光谱电化学套件(Pt)(产品编号013510)适用于光谱电化学测量。该产品中带有一个特殊的工作电极-"透光电极", 即SEC-C铂丝纱网工作电极(产品编号011498)。由于此电极铂丝导线的直径为0.5 mm ,因此非常脆弱容易弯曲折断。
在安装时,需要特别注意该工作电极的连接。为防止电极损坏,应使用 印刷电极用IC夹''(产品编号011840)进行电极与电位仪之间的连接。

光谱测量池准备

光谱仪和比色皿的设置如下,并附有一些 "提示"。 对于SEC-C薄层石英玻璃分光比色皿的设置,首先将工作电极和对电极装入SEC-C特氟龙帽,然后将待测样品装入SEC-C薄层石英玻璃分光比色皿中,最后设置参比电极。 确保SEC-C铂金纱布工作电极(Cat.011498号)是干净的。如果不干净,请用棉签蘸取0.05 um抛光氧化铝(012620号)轻轻擦拭,然后用蒸馏水冲洗。 在进行光谱测量时,在拍摄参考光谱和暗光谱时,不要忘记保存两个光谱。保存后的光谱可用于后续的测量。 采集和保存完参比和暗谱后,SEC2020光谱仪系统就可以进行目标样品的测量了。

图3-1 光谱测量样品准备
图3-1 光谱测量用试样溶液 (2 mM 亚铁氰化钾/1 M硝酸水溶液 /

在本实验中进行差分吸收光谱测量,与通常的吸光度测量不同,在此将测量之前的样品溶液的光谱作为吸光度测量的参考光谱。

电化学池设置

建议不要直接夹住SEC-C铂丝纱网工作电极,因为电极导线很细并且容易弯曲。 为了保护电极,在下面设置时,在工作电极和电池电缆之间使用了用于印刷电极的IC夹(目录号011840)。 在连接工作电极,请注意不要夹住绝缘侧。

图3-2 工作电极与用于印刷电极的IC夹连接.
图3-2 Model 2325的电极接线与IC夹连接。IC 夹的弹簧钩子端必须与SEC-C铂丝纱网工作电极导线最上端裸露的铂丝进行连接。注意不要夹在不绝缘的部分,这样会造成测量无法进行
图3-3 电化学池连接.
图3-3 电化学池连接 。 IC 夹的鳄鱼夹与Model 2325 的电极接线的鳄鱼夹连接。IC夹用于2325型双恒电位仪电极线的鳄鱼夹和SEC-C Pt纱布工作电极的裸线之间的连接。

SEC2020光谱仪和Model 2325电位仪软件的触发设置

完成光光谱仪和电位仪的触发控制线连接并将被测试样光谱电化学池设置完成后,即可开始进行软件上的触发控制测量设置。 从而将吸收光谱测量和电化学循环伏安法测量及其数据采集同时进行,实现同步控制。

1.SpectraSmart (智能光谱)软件(SEC2020光谱仪系统测量控制用软件)

1-1 光源遥控设定

使用光源遥控/触发控制一体化连接线将SEC2021 外接端口I/O(A)与SEC2022光源的外接端口I/O(B)与进行连接后, 先打开光源的电源开关,将“Auto”控制开关滑到电源开关侧(LED亮起),此时光源处于外部信号待机状态,在此该状态下可通过光谱软件对光源进行(快门 "ON/OFF", D2光源"ON/OFF",卤素光源 "ON/OFF")远程控制。 软件的光源控制设定用”灯源”快捷键位于软件主画面窗口的右侧边缘处。如果主画面右侧边缘处无”灯源”快捷键显示时,可通过点开主菜单栏”检视“,选择”灯源控制”(图4-1)后即在主窗口右上方,显示光源控制对话框(图4-2)。点击该对话框右上角的缩小(图钉形状)按钮,即可将对话框缩小放置在主画面窗口的右侧边缘处。
”灯源”快捷键,即可打开该对话窗口,对光源的快门“Shatter“,氘灯”D2”,卤素灯”HAL”的开/关进行遥控控制。

图4-1 通过软件进行光源控制的设置
图4-1 通过软件进行光源控制的设置。首先点开主菜单栏”检视“,选择”灯源控制,在窗口右侧边缘显示光源控制对话框。
图4-2 点击光源控制对话框处的灯泡
图4-2 点击光源控制对话框处的灯泡,进行激活或不激活操作模式为。
图4-3  光源遥控控制模式激活后.
图4-3 光源遥控控制模式激活后,开启灯光。同时可以控制快门拍摄暗部光谱。.

1-2 吸收光谱测量设定

进入吸光度测量前,需要选定参比光谱和暗光谱。对于一般的吸光度测量,通常使用不含被测试样的空白溶液的光谱作为参考光谱,进行吸光度测量。在薄层光谱测量时,由于光程很短,吸光度变化信号弱,如果将测量开始前的溶液光谱作为参考光谱,电化学测量开始前的溶液吸收光谱基本上接近零,电化学测量开始后的吸收光谱的相对变化就比较明显。这种吸光度相对变化测量被称为“差分吸收光谱法”

1-2-1 采集参考光谱和暗光谱

在测量样品的吸收光谱前,先采集参考光谱和暗光谱。
点击图4-4的参考光谱采集对话框中的彩色色块,可以获取实时参考光谱数据。也可以使用 “浏览”按钮以读取之前采集并保存的参考光谱。完成后,进入暗光谱采集对话框(图4-5),点击黑白色块的按钮采集实时的暗光谱。也可以使用“浏览” 按钮来读取之前采集并保存的暗光谱。

图4-4 采集参考光谱
图4-4 采集参考光谱,可以获取实时频谱,也可以读取之前获取并保存的参考频谱,使用"浏览''按钮。
图4-5采集暗光谱
图4-5 采集暗光谱,关闭快门(选中该框,当使用光源触发器时,该框处于活动状态),或者可以读取之前采集并保存的暗光谱,使用浏览按钮可以读取之前采集并保存的暗光谱。


1-2-2 调整图形测量的X和Y刻度范围

调整X和Y刻度范围,以获得最直观的光谱测量结果。


1-3 光谱仪软件的触发(trigger-input)模式设置

在光谱仪控制软件中设置触发模式时,请点击软件主菜单的”设定”, 在打开的滚动菜单中选择”触发设定”(图4-8),出现触发设定对话框。按图4-9所示选择触发测量的光谱,启用触发功能,点击确定后回到主窗口

SEC2020光谱仪系统已经做好接收电化学分析仪的输出信号的准备,一旦收到外部触发信号,立即开始系统同步测量。

1-4 保存数据

对于监测电化学测量过程中的吸光度变化,"连续时间撷取"功能很有用。 点击SpectraSmart窗口右侧竖排的连续时间撷取按钮,在右侧打开连续时间撷取对话框,可以在此设置光谱数据采集条件。

  
图4-10 用于设置数据记录条件的连续时间撷取设置窗口。
图4-10 用于设置数据记录条件的连续时间撷取设置窗口。 指定数据保存用文件夹,以保存记录的数据和文件格式.
  

对于此处介绍的测量,选择“连续时间撷取”功能以保存吸收光谱数据,对于文件保存格式一般选择 .sps专有文件格式)和CSV格式。

2. Model 2325 软件

在Model 2325 软件中设置测量电化学参数和触发模式。

图4-11Model2325软件进行触发触发信号输出模式设置。
图4-11对于同步测量,在Model2325软件进行触发触发信号输出模式设置。在“ SETUP”窗口中,将“ RDE Setting”上的“ Rotation Speed(rpm)”设置为“ 5000”。
图4-12选择电化学测量法并设置参数
图4-12选择电化学测量法并设置参数。 在此选择``循环伏安法(CV)''。

按'''运行',启动输出信号,SEC2020频谱仪系统接收到信号,开始测量。
循环伏安测量保存在数据文件夹中,光谱数据可以保存在指定的文件夹和文件名中。

循环伏安和吸收光谱测量

测量过程中

开始测量时,可以观察到氧还原反应过程中被测样品光谱的变化~



数据分析

在SpectraSmart的专有文件格式(.sps)中保存数据,可以进行频谱的叠加,从而可以比较测量中获得的频谱数据。 在说明示例中,采样时间设置为10 s,但在数据分析中,选择了40 s间隔的数据,并在同一窗口中绘制了数据图形。




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