限域通道微电极芯片及应用

本发明属于高效纳米电催化能源转化领域，涉及一种微电极芯片及应用，尤其涉及一种限域通道微电极芯片及在高效纳米电催化能源转化时的应用。

背景技术：

1、发展清洁、可再生能源技术，实现高效能源转化。电催化能源转化，能够在电能驱动下实现能源与重要化学产品的清洁、环境友好和可持续性生产。如电催化析氢技术是制备绿色、可再生能源的有效技术之一，其中实现高效电催化能源转化是电催化析氢技术发展的核心与关键。

2、纳米材料由于其高的原子利用率、尺寸效应和电子效应，成为电催化析氢领域长期以来的重点研究对象。纳米材料电催化性能与其形貌、尺寸、组成等物理化学性质密切相关。同时，催化剂的工作状态也会影响催化性能的发挥和评估。一般来说，将催化剂涂覆于毫米尺寸电极表面进行电化学测量时会面临团聚、脱落、失活等问题，从而导致电催化能源转化效率低。

3、有研究采用随机碰撞电化学分析方法，在单颗粒水平实现对钯纳米颗粒电催化析氢性能的精准评估，打破电催化剂连续工作模式，加速电子转移过程，提升催化效率(chem.eur.j.2021,27(46),11799-11803)。为了推进单颗粒电化学在电催化析氢领域的实际应用，本发明从传质角度出发，设计了限域通道微电极芯片，采用微流控技术改变传统扩散传质方式，引入对流，实现限域微通道内可控传质，增大电极界面上催化剂钯纳米颗粒颗粒和反应物质子的传质通量，实现了高效纳米电催化能源转化。

技术实现思路

1、发明目的：为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种实现高效纳米电催化能源转化的限域通道微电极芯片及应用。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种限域通道微电极芯片，所述限域通道微电极芯片包括玻璃基底以及置于玻璃基底上并与玻璃基底化学键合的pdms层；所述pdms层上设有检测通道，所述玻璃基底上设有电化学检测元件；所述电化学检测元件的一端置于检测通道，另一端从检测通道中引出。

3、优选地，本发明所采用的玻璃基底包括玻璃，所述pdms层化学键合在玻璃上表面；所述电化学检测元件的一端置于检测通道，另一端从检测通道中引出并置于玻璃上。

4、优选地，本发明所采用的电化学检测元件包括金超微电极、电极接头以及铜导线；所述金超微电极置于检测通道中，所述电极接头置于玻璃上；所述金超微电极通过铜导线与电极接头相连。

5、优选地，本发明所采用的金超微电极为带状超微电极，包括长和宽两个维度，至少在一个维度的尺寸小于25μm。

6、优选地，本发明所采用的检测通道包括溶液进口、溶液出口以及限域微通道；所述溶液进口通过限域微通道与溶液出口相贯通；所述金超微电极置于限域微通道中。

7、优选地，本发明所采用的溶液进口以及溶液出口均是圆柱形通道，所述溶液进口的直径以及溶液出口的直径均是1/64-1/16英寸。

8、根据如前所记载的限域通道微电极芯片在电催化析氢、析氧、产氧或二氧化碳还原等领域的应用，尤其是在纳米材料电催化析氢时的应用，优选地，限域通道微电极芯片在钯纳米颗粒电催化析氢时的应用。

9、基于如前所述应用的电催化析氢效率的获取方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

10、1)组装如前所记载的限域通道微电极芯片；

11、2)对限域通道微电极芯片的限域微通道进行冲洗；

12、3)制作准参比对电极，将准参比对电极从溶液出口外部伸入溶液出口中；

13、4)将置于限域微通道内的金超微电极作为工作电极；

14、5)对限域微通道内注入工作液，调控工作液的流速以及调控施加在工作电极上的偏置电压，基于准参比对电极以及工作电极对工作液进行电化学测试，获取瞬态电流信号；

15、6)根据步骤5)所获取得到的瞬态电流信号计算电催化析氢效率。

16、优选地，本发明所采用的步骤2)的具体实现方式是：

17、2.1)通过二次去离子水冲洗限域微通道，去除限域微通道内非特异性吸附的污染物，具体是：通过微流控设备对限域微通道内填充二次去离子水，并且在恒定流速下持续注入二次去离子水，对限域微通道进行充分冲洗；

18、2.2)通过工作液冲洗限域微通道，去除限域微通道内残留的二次去离子水，具体是：通过微流控设备对限域微通道内持续注入工作液，直至将限域微通道内的二次去离子水完全排出；所述工作液是含有钯纳米颗粒的高氯酸溶液；

19、优选地，所述步骤3)的具体实现方式是：

20、3.1)制备ag/agcl，并将ag/agcl作为准参比对电极；

21、3.2)将准参比对电极的一端从溶液出口外部伸入溶液出口中，另一端和电化学测试平台连接；

22、优选地，所述步骤6)的具体实现方式是：

23、统计瞬态电流信号特征参数，根据瞬态电流信号特征参数计算单个钯纳米颗粒的电催化析氢效率；所述瞬态电流信号特征参数包括电流幅值和碰撞频率。

24、优选地，本发明所采用的步骤2.2)中，含有钯纳米颗粒的高氯酸溶液中，所述钯纳米颗粒的浓度范围是60fmol l-1至200pmol l-1，高氯酸的浓度范围是1mmol l-1至750mmoll-1；

25、优选地，所述步骤3.1)中，准参比对电极的制备方法是将直径为0.25mm的ag丝放入5wt％的次氯酸钠水溶液中浸泡氧化10min，形成ag/agcl丝，然后用二次去离子水将ag/agcl丝表面残余的次氯酸钠水溶液冲洗干净；

26、优选地，所述步骤5)中，所述工作液是流动的；所述施加在工作电极上的偏置电压是毫伏级负电压。

27、本发明的有益效果：本发明提供了一种限域通道微电极芯片在电催化析氢领域高效能源转化方面的应用。该限域通道微电极芯片和微流控技术进行结合，改变传统扩散传质方式，向电化学过程引入对流传质方式，通过对溶液的流速调节实现了微通道内的纳米催化剂和电解液的可控传质。首先借助微流控技术将分散有纳米颗粒的电解质溶液填充至微米级限域通道内；然后采用单颗粒碰撞电化学分析技术对单个纳米颗粒的电催化析氢性能进行测量和分析。结果表明相比于纯扩散控制传质条件，结合微流控技术引入对流传质后单个纳米颗粒电催化析氢的起始电位(0mv vs.ag/agcl qrce)降低了400mv、催化效率((4.5±0.09)×108s-1)提高了3.5倍、单位时间内有效碰撞频率(1148.3±69.1s-1)提升了86倍，具有高效的电催化能源转换效率。本发明通过在超微电极表面集成微流控通道，通过微流控设备对携带有样品的流体进行精准操控，可控地引入对流电化学传质方式，有效增强了单个纳米颗粒的能源转化效率，推进了单颗粒电化学催化的实际应用前景。

技术特征：

1.一种限域通道微电极芯片，其特征在于：所述限域通道微电极芯片包括玻璃基底（100）以及置于玻璃基底（100）上并与玻璃基底（100）化学键合的pdms层（200）；所述pdms层（200）上设有检测通道，所述玻璃基底（100）上设有电化学检测元件；所述电化学检测元件的一端置于检测通道，另一端从检测通道中引出。

2.根据权利要求1所述的限域通道微电极芯片，其特征在于：所述玻璃基底（100）包括玻璃（101），所述pdms层（200）化学键合在玻璃（101）上表面；所述电化学检测元件的一端置于检测通道，另一端从检测通道中引出并置于玻璃（101）上。

3.根据权利要求2所述的限域通道微电极芯片，其特征在于：所述电化学检测元件包括金超微电极（102）、电极接头（103）以及铜导线（104）；所述金超微电极（102）置于检测通道中，所述电极接头（103）置于玻璃（101）上；所述金超微电极（102）通过铜导线（104）与电极接头（103）相连。

4.根据权利要求3所述的限域通道微电极芯片，其特征在于：所述金超微电极（102）是带状超微电极，所述金超微电极（102）包括长和宽两个维度，至少有一个维度的尺寸小于25μm。

5.根据权利要求4所述的限域通道微电极芯片，其特征在于：所述检测通道包括溶液进口（202）、溶液出口（203）以及限域微通道（204）；所述溶液进口（202）通过限域微通道（204）与溶液出口（203）相贯通；所述金超微电极（102）置于限域微通道（204）中。

6.根据权利要求5所述的限域通道微电极芯片，其特征在于：所述溶液进口（202）以及溶液出口（203）均是圆柱形通道，所述溶液进口（202）的直径以及溶液出口（203）的直径均是1/64-1/16英寸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的限域通道微电极芯片在电催化析氢、析氧、产氧或二氧化碳还原领域的应用，尤其是在纳米材料电催化析氢时的应用，优选地，限域通道微电极芯片在钯纳米颗粒电催化析氢时的应用。

8.基于权利要求7所述限域通道微电极芯片在钯纳米颗粒电催化析氢时效率的获取方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的电催化析氢效率的获取方法，其特征在于：所述步骤2）的具体实现方式是：

10.根据权利要求9所述的电催化析氢效率的获取方法，其特征在于：所述步骤2.2）中，含有钯纳米颗粒的高氯酸溶液中，所述钯纳米颗粒的浓度范围为60 fmol l-1-200 pmol l-1，所述高氯酸的浓度范围为1 mmol l-1-750 mmol l-1；

技术总结本发明属于高效纳米电催化能源转化领域，尤其涉及一种限域通道微电极芯片及在高效纳米电催化能源转化时的应用，其中，限域通道微电极芯片包括玻璃基底以及置于玻璃基底上并与玻璃基底化学键合的PDMS层；PDMS层上设有检测通道，玻璃基底上设有电化学检测元件；电化学检测元件的一端置于检测通道，另一端从检测通道中引出。本发明提供了一种实现高效纳米电催化能源转化的限域通道微电极芯片及应用。技术研发人员：龙亿涛,芦思珉,陈梦洁受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2