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一次看懂DEMS質(zhì)譜儀的原理與應(yīng)用
來源: 時(shí)間:2024-12-09 09:40:40 瀏覽:2617次

一次看懂DEMS質(zhì)譜儀的原理與應(yīng)用

 

原位差分電化學(xué)質(zhì)譜儀(Differential Electrochemical Mass Spectrometry, DEMS是一種高度集成的分析技術(shù),它將電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與質(zhì)譜分析的高靈敏度相結(jié)合,為研究電化學(xué)過程中的氣體產(chǎn)物和中間體提供了前所未有的視角。

一、原理概述

DEMS系統(tǒng)的核心在于其獨(dú)特的設(shè)計(jì),它包括一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)池,該反應(yīng)池直接連接到一個(gè)質(zhì)譜儀。在實(shí)驗(yàn)中,電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)池中,產(chǎn)生的氣體或揮發(fā)性物質(zhì)通過一個(gè)特殊的半透膜(通常是疏水性的),這個(gè)膜允許氣體通過而阻擋液體電解質(zhì),隨后這些氣體進(jìn)入質(zhì)譜儀的真空環(huán)境。質(zhì)譜儀通過測(cè)量不同質(zhì)荷比(m/z)的離子電流,來定性和定量分析這些氣體產(chǎn)物。

二、技術(shù)特點(diǎn)

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):DEMS能夠以毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率捕捉電化學(xué)反應(yīng)過程中的瞬態(tài)變化,這對(duì)于理解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。

2. 高靈敏度:由于質(zhì)譜的高靈敏度,即使是微量的氣體產(chǎn)物也能被檢測(cè)到,這對(duì)于研究副反應(yīng)和中間體尤為重要。

3. 原位分析:DEMS在反應(yīng)發(fā)生的同一環(huán)境中進(jìn)行分析,避免了樣品轉(zhuǎn)移可能帶來的誤差,確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性。

4. 定性與定量:不僅能識(shí)別反應(yīng)產(chǎn)物,還能通過電流變化計(jì)算產(chǎn)物的法拉第效率,實(shí)現(xiàn)定量分析。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 電池研究

充放電過程監(jiān)測(cè):DEMS用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池充放電過程中產(chǎn)生的氣體,如鋰離子電池中的H2、CO2,幫助評(píng)估電池的安全性和性能。

電解質(zhì)分解:分析電解液在特定電位下的分解產(chǎn)物,優(yōu)化電解質(zhì)配方,提高電池循環(huán)壽命。

2. 電催化

反應(yīng)機(jī)理探索:通過監(jiān)測(cè)不同電位下的產(chǎn)物變化,揭示催化劑表面的反應(yīng)路徑,如在OER(析氧反應(yīng))和ORR(氧還原反應(yīng))中的應(yīng)用。

活性與選擇性評(píng)估:利用DEMS,科學(xué)家可以快速篩選不同催化劑的活性和產(chǎn)物選擇性,優(yōu)化電催化材料。

3. 環(huán)境科學(xué)

污染物轉(zhuǎn)化:研究電化學(xué)方法處理廢水時(shí)污染物的轉(zhuǎn)化過程,如NO3-的電催化還原,評(píng)估其環(huán)境應(yīng)用潛力。

4. 材料科學(xué)

表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué):在材料表面改性或涂層研究中,DEMS幫助理解表面反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程,優(yōu)化材料性能。

5. 能源轉(zhuǎn)換

CO2還原:在研究CO2電化學(xué)還原為燃料或化學(xué)品的過程中,DEMS能實(shí)時(shí)跟蹤產(chǎn)物,加速新催化劑的開發(fā)。

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