一种原位反射吸收成像检测光学系统和原位检测方法

本发明属于光学成像及检测，具体涉及一种原位反射吸收成像检测光学系统和原位检测方法。

背景技术：

1、过氧化氢是一种生态友好且用途广泛的氧化剂，最终副产物为氧气和水。它在消毒、漂白、废物处理、化学合成等方面有着广泛的应用。直到现在，过氧化氢的生产仍然严重依赖于由riedl等人首先建立的蒽醌工艺。然而，能源密集型的蒽醌工艺仅在较大的生产规模上才具有经济可行性，并且严重依赖过氧化氢溶液的运输和储存，不稳定且危险。

2、电化学生成过氧化氢具有反应条件温和、反应物绿色和环境友好等显著优势。过氧化氢可以通过电催化过程的2e-水氧化反应(2e-wor)或2e-氧还原反应(2e-orr)获得。berl首次报道了从2e-orr生成过氧化氢，然后在1991年将该方法用于huron-dow工艺商业化。无论是2e-水氧化反应还是2e-氧还原反应，它们的反应步骤都比较复杂，需要使用催化剂来降低过电位。在电催化氧还原制过氧化氢的研究中，常见的催化剂有贵金属催化剂(au、ag、pt和pd等)、碳基催化剂(石墨、炭黑、碳毡和碳布等)以及非贵金属复合物催化剂(nio、co3o4、mno2、bivo4等过渡金属氧化物)。这些催化剂种类繁多，不同的负载方式下，催化效果也不同。工业制备过氧化氢需要制备大面积的催化剂，催化剂活性分布影响生成过氧化氢的效率。目前对电解水制备过氧化氢的电极化学性能评价主要有：线性伏安扫描法(lsv)、法拉第效率(fe)、电化学稳定性测试等，然而上述方法只能表示电极整体的性能和过氧化氢的总体浓度，因此需要对过氧化氢的浓度和反应速率空间分布进行检测。

3、电解水制备过氧化氢的过程中，过氧化氢在可见光范围内对光的吸收较少，因此需要使用合适的过氧化氢显色剂，对产生的过氧化氢实时检测。目前对检测过氧化氢浓度的显色剂主要有氧化还原显色方法和络合型显色法。常见的氧化还原显色方法有高锰酸钾直接滴定法、碘量直接滴定法以及铈量直接滴定法等。高锰酸钾在酸性环境下具有较强氧化性，故与过氧化氢发生氧化还原反应。但是，该方法多需通过人工取样进行检测，测量周期长。碘量法具有与高锰酸钾法相同的优点，但是硫代硫酸钠溶液不够稳定，滴定时需要另行标定，检测效率较低。铈量法相比于高锰酸钾法其副反应更少，相比于碘量法而言，具有不必对标准溶液进行另行标定的优点；但铈盐价格高，且滴定过程中必须在强酸环境下进行，因此应用面相对较窄。

4、络合型显色剂主要是以钛盐为主，其显色原理是过氧化氢与钛离子在酸性溶液中形成稳定橙色络合物——过钛酸，此络合物颜色的深浅与样品中过氧化氢的含量成正比，能够准确地测量过氧化氢的浓度。在高级氧化反应体系中选用钛盐作为显色剂测定过氧化氢具有简便、准确、选择性好的特点。但该方法为非原位的取样检测，无法实时测得电极表面的空间分布。

5、因此，需要提供一种原位检测电极表面过氧化氢浓度空间分布的装置和方法。

技术实现思路

1、本发明以电解水制备过氧化氢的工作电极材料为基础，本发明提供了原位反射吸收成像检测光学系统，在电化学过程中原位实时定量检测产物浓度及生成速率。

2、该原位反射吸收成像检测光学系统，包括：

3、入射光模块，产生准单色光；

4、原位反射吸收模块，包括棱镜、工作电极、电解池和设置于所述电解池中的对电极，一部分光所述准单色光通过所述棱镜被所述电解池的溶液吸收后入射到所述工作电极，再次被所述电解池的溶液吸收；

5、成像探测模块，收集再次被所述电解池溶液吸收后的所述准单色光，形成图像；

6、电源模块，和所述工作电极、所述对电极电连接。

7、进一步地，所述电解池包括两个开口，所述棱镜粘结于其中一个开口，所述工作电极通过螺栓固定在另一个开口。

8、进一步地，所述入射光模块产生准单色光，所述准单色光经过所述分光装置，一部分光被所述相机接收，另一部分光以垂直于所述棱镜的角度入射到所述原位反射吸收模块。

9、本发明还提供了对电解水制备过氧化氢的浓度和生成速率变化的原位检测方法。

10、该对电解水制备过氧化氢的浓度和生成速率变化的原位检测方法，包括以下步骤：

11、s1：开启如上所述的入射光模块，调节光路，将显色剂和不同浓度过氧化氢的混合溶液放入如上所述的电解池中，用如上所述的成像探测模块对如上所述的工作电极表面，连续拍摄；。

12、s2：对拍摄的一系列图片进行降噪处理，降噪处理后的像素点为测量点，得到工作电极表面每个测量点不同浓度的过氧化氢溶液和光强之间的定量关系，获得工作电极表面每个测量点的过氧化氢浓度-光强标准曲线。

13、s3：将电解液放入电解池中，启动电源模块，成像探测模块采集工作电极表面测量点不同时间点的二维成像图，生成并保存二维图像组。

14、s4：将采集到的二维图像组进行步骤s2中的降噪处理，根据s2中不同测量点的过氧化氢浓度-光强标准曲线，将工作电极表面不同测量点光强转化为过氧化氢的浓度，由浓度变化进一步计算过氧化氢生成速率。

15、进一步地，图像降噪处理包括像素平均和光强归一化处理。

16、进一步地，所述过氧化氢浓度-光强标准曲线包括光强-检测序列图、h2o2浓度--lg曲线和过氧化氢浓度分辨率图。

17、通过本发明提供的原位反射吸收成像检测光学系统和原位检测方法，在显色剂的基础上实现了电化学过程中原位实时定量检测产物浓度及生成速率。

技术特征：

1.一种原位反射吸收成像检测光学系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的原位反射吸收成像检测光学系统，其特征在于，所述电解池包括两个开口，所述棱镜粘结于其中一个开口，所述工作电极通过螺栓固定在另一个开口。

3.如权利要求1所述的原位反射吸收成像检测光学系统，其特征在于，所述入射光模块产生准单色光，所述准单色光经过所述分光装置，一部分光被所述相机接收，另一部分光以垂直于所述棱镜的角度入射到所述原位反射吸收模块。

4.一种对电解水制备过氧化氢的浓度和生成速率变化的原位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的对电解水制备过氧化氢的浓度和生成速率变化的原位检测方法，其特征在于，图像降噪处理包括像素平均和光强归一化处理。

6.如权利要求4所述的对电解水制备过氧化氢的浓度和生成速率变化的原位检测方法，其特征在于，所述过氧化氢浓度-光强标准曲线包括光强-检测序列图、h2o2浓度--lg曲线和过氧化氢浓度分辨率图。

技术总结本发明属于光学成像及检测技术领域，提供了一种原位反射吸收成像检测光学系统。该系统包括:入射光模块，产生准单色光；原位反射吸收模块，包括棱镜、工作电极、电解池和设置于所述电解池中的对电极，一部分光所述准单色光通过所述棱镜被所述电解池的溶液吸收后入射到所述工作电极，再次被所述电解池的溶液吸收；成像探测模块，收集再次被所述电解池溶液吸收后的所述准单色光，形成图像；电源模块，和所述工作电极、所述对电极电连接。通过本发明提供的原位反射吸收成像检测光学系统，在显色剂的基础上实现了电化学过程中原位实时定量检测产物浓度及生成速率。技术研发人员：刘乐,王勋楚,陈冬旭,席靖宇受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院技术研发日：技术公布日：2024/8/5