本发明属于电化学-质谱技术领域，具体涉及用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置及方法。
背景技术：
在电化学发展过程中，研究反应产物以及中间过渡物质的现代电化学分析技术起到了至关重要的作用。在众多的电化学表征手段中，电化学-质谱联用技术具有实时监测动态反应过程，捕捉瞬时存在的中间体，进而可以推导电化学反应机理及动力学参数等，并且实验结果直观、可靠，使得电化学-质谱联用技术成为一种高效的电化学表征方法。
目前，针对电化学-质谱联用技术，主要是通过改进和设计电化学电解池和电极结构，来实现不同反应的监测要求。其中，电极是用来向电解液中输入电子从而控制电化学反应过程的主要装置，通常采用三电极组合，包括工作电极、辅助电极和参比电极，而工作电极和辅助电极也被认为是电化学反应中的正极和负极，反应产物在两个电极的表面区域生成。但是，目前的这些电化学电解池和电极结构，无法隔离工作电极和辅助电极各自生成的产物，导致所有产物混合在一起进入质谱进行分析，从而降低了产物数据的精确性、可靠性和特异性，影响了电化学反应机理的准确推导。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电化学反应装置整体结构简单、操作方便，喷雾不受溶剂体系限制，质谱响应时间短、灵敏度高，可以同步监测正负极电化学反应产物和中间体，满足更加精确和准确的电化学-质谱分析装置的需求的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置及方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，包括电解池和电极组合，电解池内部设有溶液腔，电极组合包括工作电极、辅助电极和参比电极；电解池侧面底部分别设有与溶液腔相连通的工作电极安装口和辅助电极安装口，电解池顶部还设有与溶液腔相连通的参比电极安装口，电解池侧面上部还设有溶液腔相连通的气体加压口；工作电极和辅助电极均为金属管状结构；工作电极和辅助电极通过电解池侧面底部的安装口与电解池内的溶液腔连通，参比电极通过电解池顶部的安装口与电解池溶液腔连通；工作电极金属管外端口和辅助电极金属管外端口分别正对质谱仪进样口；
向电解池溶液腔注入反应液后，将参比电极通过电解池顶部的安装口固定，参比电极的测量端浸入反应液，从气体加压口向溶液腔通入高压气体，确保工作电极和辅助电极金属管内充满反应液；工作电极、辅助电极和参比电极通过导线与电化学工作站连接，打开所述电化学工作站的电源，开始电化学反应，在工作电极和辅助电极表面形成的电化学反应产物分别从工作电极金属管外端口和辅助电极金属管外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现电化学反应过程中正负极各自反应产物的同步和实时监测。
优选的，工作电极安装口和辅助电极安装口均设于电解池的侧面底部。
优选的，金属管状电极与电解池的连接是通过卡套式端直通管接头固定在安装口；卡套式端直通管接头与工作电极安装口均通过螺纹进行密封连接。
优选的，参比电极也通过卡套式端直通管接头固定到电解池顶部安装口，卡套式端直通管接头与辅助电极安装口均通过螺纹进行密封连接。
优选的，金属管状电极材料为铂金、铜、不锈钢其中任何一种。
优选的，金属管状电极内径为0.1mm，外径是为0.4mm～0.8mm，长度为3cm～4cm。
优选的，电解池采用防腐蚀材料制备而成，防腐蚀材料为聚醚醚酮、或聚四氟乙烯、或石英玻璃。
优选的，电解池的底部还设有固定底座，用于对电解池进行固定。
用于电化学正负极反应产物实时同步监测的方法，使用上述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置的方法，包括以下步骤：
(1)将金属管状工作电极的外端口对准质谱仪的进样口，工作电极另一端插入电解池侧面底部的工作电极安装口内，进行密封固定连接；将金属管状辅助电极的外端口对准质谱仪的进样口，辅助电极另一端插入电解池侧面底部的辅助电极安装口内，进行密封固定连接；向电化学反应池内溶液腔中注入反应液后，再将参比电极的下半部分插入电解池顶部的参比电极安装口内，进行密封固定，参比电极测量端浸入到反应液中；
(2)将工作电极、辅助电极和参比电极与电化学工作站通过导线连接，从气体加压口向电解池内溶液腔通入高压气体，确保金属管状电极的金属管内部充满反应液后，再打开电化学工作站的电源，引发工作电极和辅助电极的金属管内反应液发生电化学反应，同时将工作电极和辅助电极表面生成的反应产物向金属管状电极的金属管外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现正负极电化学氧化还原反应产物的实时同步监测。
本发明的有益效果：
(1)本发明的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置及方法，目的是提供一种电化学-质谱联用技术及其使用方法。电化学反应装置结构简单、操作方便，喷雾不受溶剂体系限制，质谱响应时间短、灵敏度高，可以同步监测正负极电化学反应产物和中间产物，满足更加精确和准确的电化学原位观测装置的需求。
(2)本发明用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，利用电化学-质谱技术，可检测分析电化学反应过程中工作电极和辅助电极产生的一系列产物，实时同步监测氧化反应和还原反应过程，测量结果具有精确性和特异性，提高了反应机理推导的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中电解池主体的结构示意图；
图3为图2中电解池安装有参比电极时结构示意图；
图4为图2中电解池安装有密封堵头装置时结构示意图；
图5为本发明使用状态的结构示意图；
图6为本发明使用原理图的结构示意图；
图7为图6中a的局部放大图的结构示意图。
图中标注：1.电解池，2.电解池溶液腔，3.工作电极安装口，4.辅助电极安装口，5.气体加压口，6.参比电极安装口，7.金属管状电极，8.卡套式端直通管接头，9.参比电极，10.密封堵头装置，11.固定底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
如图1和图6所示，本发明提供用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，包括电解池1和电极组合，电解池1侧面底部分别设有与电解池溶液腔2相连通的工作电极安装口3和辅助电极安装口4，电解池1侧面上部还设有与电解池溶液腔2相连通的气体加压口5；电解池1顶部还设有与电解池溶液腔2相连通的参比电极安装口6；工作电极安装口3和辅助电极安装口4内均密封连接有金属管状电极7。电化学反应开始前，向电解池溶液腔2注入反应液，将参比电极9紧密固定在参比电极安装口6处，确保参比电极9测量端浸入反应液中，从气体加压口5向电解池溶液腔2内通入高压气体，使金属管状电极7内充满反应液，然后，将金属管状电极7和参比电极9通过导线与电化学工作站连接，打开电化学工作站电源，引发样品进行电化学反应，同时，在金属管状电极7表面生成的产物从金属管外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现正负极各自的电化学反应产物的实时、同步监测，通过电化学-质谱技术，可检测分析电化学反应过程中工作电极和辅助电极产生的一系列产物，实时同步监测氧化反应和还原反应过程，测量结果具有精确性和特异性，提高了反应机理推导的准确性和可靠性。
工作电极安装口3和辅助电极安装口4均设于电解池2的侧面底部，且水平相对设置，有利于在金属管状工作电极3和金属管状辅助电极7生成的电化学反应产物同时向外喷出，分别进入质谱仪中进行检测，质谱响应时间短、灵敏度高，实现正负极电化学反应过程的实时有效监测，测量结果精确性高、特异性好，提高了反应机理推导的准确性和可靠性，对于机理研究具有重大意义。
如图1和图4所示，金属管状电极7的一端均通过卡套式端直通管接头8插入安装口，且电解池溶液腔2连通，但不深入溶液腔内；卡套式端直通管接头8与安装口均通过螺纹进行密封连接，可以保证整个电解池溶液槽2的密封性，确保电化学反应液完全从金属管状电极7外端口向外喷出，从进样口进入质谱仪进行分析，对整个电化学反应实时有效的监测，质谱响应时间短，实现检测结果的高准确性和可靠性。
参比电极安装口6内密封安装有参比电极9，或者密封安装有密封堵头装置10，可以满足二电极或者三电极体系的需求，可适用范围广。
金属管状电极7为铂金管、或者铜管、或者不锈钢金属管等任何金属管，且其内径为0.1mm，外径为0.4mm到0.8mm，长度为3cm到4cm；电解池1采用防腐蚀材料制备而成，防腐蚀材料为聚醚醚酮、或者聚四氟乙烯、或者石英玻璃。本发明装置结构简单、坚固耐用，使用寿命长，可适用范围广；安装、维护与更换均非常方便。电解池1的底部还固设有固定底座11，用于对电解池1进行固定，便于使用，保证整个反应装置使用过程中的稳定性，确保整个反应顺利进行与快速有效监测反应过程中的动态变化。
本发明用于电化学正负极反应产物实时同步监测方法，使用上述电化学正负极反应产物实时同步监测装置，包括以下步骤：
(1)如图5和图6所示，将金属管状电极7包括工作电极和辅助电极的外端口分别对准质谱仪进样口，并且调整到一定的距离，以获得最佳的质谱响应信号，工作电极和辅助电极的金属管状电极7的另一端分别插入电解池1侧面底部的工作电极安装口3和辅助电极安装口4，进行密封固定，确保金属管状电极7与溶液腔2连通；向电解池1的溶液腔2内注入反应液，当研究三电极反应体系时，再将参比电极安装口6内密封安装参比电极9，且参比电极9的底部测量端浸入反应液液面以下；
当研究二电极反应体系时，再将参比电极安装槽口6内密封安装密封堵头装置10；该装置可实现三电极反应体系和二电极反应体系的灵活转换，适用用于不同条件的电化学实验要求。
(2)将金属管状电极7包括工作电极和辅助电极，以及参比电极9通过导线与电化学工作站连接，分别引发工作电极和辅助电极内的溶液发生电化学反应，同时从气体加压口5向溶液腔2内通入高压气体，以将工作电极和辅助电极表面生成的一系列产物从金属管状电极7外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现正负极电化学反应产物的实时、同步监测。
本发明用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置的使用方法，操作方便，可检测分析电化学反应过程中正极和负极各自生成的产物、瞬时中间体等，实时、同步监测正极和负极的电化学反应过程，准确得出反应机理，其分析结果具有精确性、可靠性和特异性等优点。
综上，本发明的电化学正负极反应产物实时同步监测装置，整体结构简单、操作方便，质谱响应时间短、灵敏度高，喷雾不受溶剂体系限制，可在三电极和二电极体系灵活转变，适用范围广，可以同步监测正负极电化学反应生成的一系列产物，满足更加精确和准确的电化学-质谱分析装置的需求。
以上仅是本发明的实施例而已，例如金属管状电极7的材质或者规格尺寸变化；以及电解池1材质或者规格尺寸变化，均可以实现本发明的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置及其使用方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。
1.用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，包括电解池和电极组合，所述电解池内部设有溶液腔，所述电极组合包括工作电极、辅助电极和参比电极；其特征在于，所述电解池侧面底部分别设有与所述溶液腔相连通的工作电极安装口和辅助电极安装口，所述电解池顶部还设有与所述溶液腔相连通的参比电极安装口，所述电解池侧面上部还设有与所述溶液腔相连通的气体加压口；所述工作电极和辅助电极均为金属管状结构；所述工作电极和辅助电极通过电解池侧面底部的安装口与电解池内的溶液腔连通，所述参比电极通过电解池顶部的安装口与电解池溶液腔连通；所述工作电极金属管外端口和辅助电极金属管外端口分别正对质谱仪进样口；
向所述电解池溶液腔注入反应液后，将所述参比电极通过电解池顶部的安装口固定，所述参比电极的测量端浸入反应液，从所述气体加压口向溶液腔通入高压气体，确保所述工作电极和辅助电极金属管内充满反应液；将所述工作电极、辅助电极和参比电极通过导线与电化学工作站连接，打开所述电化学工作站的电源，开始电化学反应，在所述工作电极和辅助电极表面形成的电化学反应产物分别从所述工作电极金属管外端口和辅助电极金属管外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现电化学反应过程中正负极各自反应产物的同步和实时监测。
2.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述工作电极安装口和辅助电极安装口均设于所述电解池的侧面底部。
3.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述金属管状电极与电解池的连接是通过卡套式端直通管接头固定在安装口；所述卡套式端直通管接头与所述工作电极安装口均通过螺纹进行密封连接。
4.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述参比电极也通过卡套式端直通管接头固定到所述电解池顶部安装口，所述卡套式端直通管接头与所述辅助电极安装口均通过螺纹进行密封连接。
5.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述金属管状电极材料为铂金、铜、不锈钢其中任何一种。
6.根据权利要求5所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述金属管状电极内径为0.1mm，外径是为0.4mm～0.8mm，长度为3cm～4cm。
7.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述电解池采用防腐蚀材料制备而成，所述防腐蚀材料为聚醚醚酮、或聚四氟乙烯、或石英玻璃。
8.根据权利要求1所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置，其特征在于，所述电解池的底部还设有固定底座，用于对所述电解池进行固定。
9.用于电化学正负极反应产物实时同步监测的方法，使用权利要求1-8任何一项所述的用于电化学正负极反应产物实时同步监测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属管状工作电极的外端口对准质谱仪的进样口，所述工作电极另一端插入所述电解池侧面底部的工作电极安装口内，进行密封固定连接；将金属管状辅助电极的外端口对准质谱仪的进样口，所述辅助电极另一端插入所述电解池侧面底部的辅助电极安装口内，进行密封固定连接；向所述电化学反应池内溶液腔中注入反应液后，再将所述参比电极的下半部分插入所述电解池顶部的参比电极安装口内，进行密封固定，所述参比电极测量端浸入到反应液中；
(2)将所述工作电极、辅助电极和参比电极与电化学工作站通过导线连接，从所述气体加压口向所述电解池内溶液腔内通入高压气体，确保所述金属管状电极的金属管内部充满反应液后，再打开电化学工作站的电源，引发所述工作电极和辅助电极金属管内反应液发生电化学反应，同时将所述工作电极和辅助电极表面生成的反应产物向所述金属管状电极的金属管外端口喷出，分别进入质谱仪中进行检测，实现正负极电化学氧化还原反应产物的实时同步监测。
技术总结