夾心式冷熱交變電極及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，涉及可雙向快速控溫的電化學(xué)電極及其制造方法，具體為一種夾心式冷熱交變電極及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電極在近二十年里已由德國(guó)科學(xué)家GrUndler發(fā)展成為一種分析檢測(cè)工具。該方法主要是通過高頻交流電或直流電對(duì)工作電極進(jìn)行加熱升溫。該方法能通過調(diào)節(jié)加熱電流的大小直接控制電極的溫度。熱電極的應(yīng)用范圍從重金屬的檢測(cè)到有機(jī)溶液的電化學(xué)分析，乃至電極溫度在沸點(diǎn)以上的電化學(xué)行為研究。熱電極有很多優(yōu)點(diǎn)，例如迅速控制電極的溫度，顯著增強(qiáng)被檢測(cè)物質(zhì)信號(hào)等，另外還有提高酶的活性，去除電極表面污染物等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]但是，以往的熱電極只能提高電極表面溫度，不能對(duì)電極制冷。低溫電化學(xué)技術(shù)自發(fā)明以來，已經(jīng)被應(yīng)用于電分析化學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域。低溫技術(shù)應(yīng)用范圍從中間體自由基的檢測(cè)到有機(jī)溶液的電化學(xué)分析，乃至整體電解質(zhì)在固態(tài)情況下的電化學(xué)伏安法研究。對(duì)于超冷電極技術(shù)，它不同于低溫電化學(xué)技術(shù)，它是對(duì)電極本身或?qū)﹄姌O附近溶液進(jìn)行降溫，在電極表面微區(qū)內(nèi)形成一個(gè)溫度差梯度，從而不影響整體溶液的溫度和參比電極的電位，適合于研究過冷溶液理化性質(zhì)和生物分子活性。我們制作的溫控電極不僅繼承了低溫電化學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，拓寬了溫度檢測(cè)的范圍，而且對(duì)于零度以下生物活性物質(zhì)的研究，溫控電極技術(shù)不需要用到有機(jī)溶劑，不會(huì)對(duì)生物物質(zhì)或者細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。
[0004]在本發(fā)明中溫控電極既可以升溫，又可以降溫以便獲得穩(wěn)定的過冷溶液。它主要通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的電流的方向和大小來實(shí)現(xiàn)。
[0005]采用高頻交流電來加熱熱電偶微電極的方法可以使得微電極表面溫度升高(湯儆；杜琳；肖孝建；吳挺；吳海彬.一種多用熱電偶微電極及其制作方法[P].中國(guó)專利:CN 102589739A，2012-07-18)，由于采用高頻交流電的方法可以快速調(diào)控溫度，但是它對(duì)于熱電偶電極的電阻有嚴(yán)格的要求，采用的熱電偶絲的直徑是25 μπι的鉑絲和25 μπι的鉑銠絲，氫氧焰燒結(jié)的熱電偶頭子直徑在微米級(jí)別，而本專利中用到的熱電偶頭大小在0.1毫米~5毫米范圍。通過盛放有制冷劑的容器和金屬棒來傳熱(孫建軍；黃宗雄；楊森；郭俊偉.一種獲得過冷溶液的裝置及其制造方法[P].中國(guó)專利:CN103776198Α, 2014-05-07)的方法可以獲得過冷溶液，但是由于制冷劑的揮發(fā)和震動(dòng)，會(huì)使得過冷裝置穩(wěn)定性不是很好。通過圓錐導(dǎo)體固定在半導(dǎo)體元件上并利用絕熱槽子充滿循環(huán)溶液的方法(孫建軍；楊森；鐘易娟；黃宗雄；郭俊偉.一種溫度可雙向調(diào)控的電化學(xué)電極及其制造方法[P].中國(guó)專利:CN 103901086Α，2014-07-02)可以雙向調(diào)控電極表面的溫度，但是由于循環(huán)溶液和金屬圓錐導(dǎo)體的引入使得傳熱速度變慢，此外電極表面測(cè)溫的準(zhǔn)確性也沒有熱電偶的準(zhǔn)確性高。
[0006]本發(fā)明設(shè)計(jì)了溫度可雙向快速調(diào)控的電化學(xué)電極。利用本發(fā)明，可以快速準(zhǔn)確的雙向控制電極表面溫度，不僅可以應(yīng)用于重金屬的檢測(cè)，有機(jī)溶液的電化學(xué)分析，而且可以提高酶的活性，去除電極表面污染物等優(yōu)點(diǎn)。在電極制冷方面，可以用于研究低溫下反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征及其反應(yīng)機(jī)理，自由基衰變機(jī)理，低溫下電解合成和電聚合反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種夾心式冷熱交變電極及其制造方法，為一種溫度可雙向快速調(diào)控的電化學(xué)電極，通過對(duì)半導(dǎo)體元件施加不同方向的加熱電流來調(diào)節(jié)電極表面的溫度，在電極加熱方面，可以應(yīng)用于重金屬的檢測(cè)，有機(jī)溶液的電化學(xué)分析等；在電極制冷方面，可以用于研究低溫下反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征及其反應(yīng)機(jī)理，自由基衰變機(jī)理，低溫下電解合成和電聚合反應(yīng)等；還可以方便獲得穩(wěn)定的過冷區(qū)域，對(duì)研究過冷溶液的物理化學(xué)性質(zhì)，以及研究生物分子自組裝和生物體在過冷極端條件下的行為。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種夾心式冷熱交變電極，包括一導(dǎo)電材料及將該導(dǎo)電材料夾在中間的半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件由對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片組成，通過直流電源調(diào)節(jié)對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片的電流方向使得對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片朝向?qū)щ姴牧系囊粋?cè)同時(shí)發(fā)熱或制冷；所述導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片連接的其中一端通過隔熱材料包裹并伸出部分作為電化學(xué)電極。
[0009]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料為金屬導(dǎo)體、非金屬材料、熱電偶或碳質(zhì)材料。
[0010]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述金屬導(dǎo)體包括金、銀、銅，所述非金屬材料包括半導(dǎo)體硅，所述熱電偶包括R型熱電偶、T型熱電偶、K型熱電偶、J型熱電偶，所述碳質(zhì)材料包括鉛筆芯、石墨、玻碳。
[0011]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料長(zhǎng)于所述半導(dǎo)體制冷片，以利于所述導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片連接的其中一端伸出半導(dǎo)體制冷片。
[0012]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述電化學(xué)電極的橫截面形狀為帶狀或盤狀，該橫截面的尺寸在納米級(jí)至毫米級(jí)范圍之間。
[0013]本發(fā)明還提供了一種夾心式冷熱交變電極的制造方法，包括如下步驟，
S1:提供導(dǎo)電材料、對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片、直流電源、導(dǎo)熱硅脂、隔熱材料；S2:通過導(dǎo)熱硅脂將導(dǎo)電材料夾在對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片之間，使得導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片緊密粘合，所述導(dǎo)電材料長(zhǎng)于半導(dǎo)體制冷片，以使得導(dǎo)電材料的前端部分伸出半導(dǎo)體制冷片，而后在37度下干燥2小時(shí)；
53:待導(dǎo)熱硅脂干后，在導(dǎo)電材料伸出的前端部分及與該前端部分相鄰近的導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片相接觸處涂上隔熱材料，待隔熱材料固化后放置于50度的烘箱中5h進(jìn)一步固化；
54:隔熱材料固化后，周圍被隔熱材料覆蓋的導(dǎo)電材料伸出的前端部分分別通過1000目砂紙，2000目砂紙，0.05 μπι的氧化鋁粉打磨好并用二次水沖洗干凈，完成電極制作；
55:通過直流電源調(diào)節(jié)所述對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片的電流方向，即可調(diào)節(jié)電極表面的溫度升降以及溫度變化大小。
[0014]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料為金屬導(dǎo)體、非金屬材料、熱電偶或碳質(zhì)材料。
[0015]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述金屬導(dǎo)體包括金、銀、銅，所述非金屬材料包括半導(dǎo)體硅，所述熱電偶包括R型熱電偶、T型熱電偶、K型熱電偶、J型熱電偶，所述碳質(zhì)材料包括鉛筆芯、石墨、玻碳。
[0016]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述隔熱材料為環(huán)氧樹脂膠。
[0017]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述制作的電極的橫截面形狀為帶狀或盤狀，該橫截面的尺寸在納米級(jí)至毫米級(jí)范圍之間。
[0018]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明可以通過對(duì)對(duì)稱的半導(dǎo)體元件施加不同方向的加熱電流可以快速方便調(diào)節(jié)電極表面的溫度；加熱方式簡(jiǎn)單，和現(xiàn)有的通過圓錐導(dǎo)體固定在半導(dǎo)體元件上并利用絕熱槽子充滿循環(huán)溶液的方法(孫建軍；楊森；鐘易娟；黃宗雄；郭俊偉.一種溫度可雙向快速調(diào)控的電化學(xué)電極及其制造方法[P].中國(guó)專利:CN 103901086A, 2014-07-02)相比，本發(fā)明不用循環(huán)溶液和圓錐導(dǎo)體，而采用將對(duì)稱設(shè)計(jì)的制冷片電極直接放置在溶液中和采用熱電偶作為電極材料的方法可以實(shí)現(xiàn)快速并精準(zhǔn)地調(diào)控電極表面的溫度。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一種夾心式冷熱交變電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中，1-半導(dǎo)體制冷片，2-熱電偶，3-環(huán)氧樹脂膠。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0022]本發(fā)明的一種夾心式冷熱交變電極，包括一導(dǎo)電材料及將該導(dǎo)電材料夾在中間的半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件由對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片組成，通過直流電源調(diào)節(jié)對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片的電流方向使得對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片朝向?qū)щ姴牧系囊粋?cè)同時(shí)發(fā)熱或制冷；所述導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片連接處均通過隔熱材料包裹，且所述導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片連接的其中一端通過隔熱材料(可為環(huán)氧樹脂腳等其他隔熱材料)包裹并伸出部分作為電化學(xué)電極。
[0023]所述電化學(xué)電極的橫截面(即導(dǎo)電材料伸出的一端經(jīng)干燥打磨后的橫截面)形狀為帶狀或盤狀，該橫截面的尺寸在納米級(jí)至毫米級(jí)范圍之間。
[0024]所述導(dǎo)電材料為金屬導(dǎo)體、非金屬材料、熱電偶或碳質(zhì)材料。所述金屬導(dǎo)體包括金、銀、銅，所述非金屬材料包括半導(dǎo)體硅，所述熱電偶包括R型熱電偶、T型熱電偶、K型熱電偶、J型熱電偶，所述碳質(zhì)材料包括鉛筆芯、石墨、玻碳。
[0025]本發(fā)明還提供了一種上述夾心式冷熱交變電極的制造方法，包括如下步驟，
S1:提供導(dǎo)電材料、對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片、直流電源、導(dǎo)熱硅脂、隔熱材料；S2:通過導(dǎo)熱硅脂將導(dǎo)電材料夾在對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片之間，使得導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片緊密粘合，所述導(dǎo)電材料長(zhǎng)于半導(dǎo)體制冷片，以使得導(dǎo)電材料的前端部分伸出半導(dǎo)體制冷片，而后在37度下干燥2小時(shí)；
53:待導(dǎo)熱硅脂干后，在導(dǎo)電材料伸出的前端部分及與該前端部分相鄰近的導(dǎo)電材料與半導(dǎo)體制冷片相接觸處涂上隔熱材料，待隔熱材料固化后放置于50度的烘箱中5h進(jìn)一步固化；
54:隔熱材料固化后，周圍被隔熱材料覆蓋的導(dǎo)電材料伸出的前端部分分別通過1000目砂紙，2000目砂紙，0.05 μπι的氧化鋁粉打磨好并用二次水沖洗干凈，完成電極制作； S5:通過直流電源調(diào)節(jié)所述對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片的電流方向，即可調(diào)節(jié)電極表面的溫度升降以及溫度變化大小。
[0026]以下結(jié)合熱電偶作為導(dǎo)電材料具體講述本發(fā)明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供一種夾心式冷熱交變電極，由直流電源、半導(dǎo)體元件(或一組半導(dǎo)體制冷片1)、測(cè)溫探頭和隔熱材料組成。半導(dǎo)體元件由對(duì)稱的兩片或多片半導(dǎo)體制冷片組成。測(cè)溫探頭由熱電偶2組成，通過導(dǎo)熱硅脂和對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片緊密接觸，并通過隔熱材料(環(huán)氧樹脂膠3等隔熱材料)將對(duì)稱的半導(dǎo)體制冷片和熱電偶封裝在一起。實(shí)驗(yàn)中熱電偶的兩端連接熱電偶測(cè)溫儀可以實(shí)時(shí)測(cè)定電極溫度，熱電偶一端作為電極導(dǎo)線和電化學(xué)工作站連接。熱電偶和隔熱材料封裝的部分被打磨露出探頭，并伸入電化學(xué)電解池溶液中作為工作電極。對(duì)半導(dǎo)體制冷片施加不同方向的電流從而使得電極表面溫度升高和降低。
[0028]這里對(duì)實(shí)現(xiàn)上述夾心式冷熱交變電極的制造方法進(jìn)行說明，包括以下步驟:
(1)所述的電化學(xué)電極由直流電源、半導(dǎo)體元件、測(cè)溫探頭和隔熱材料組成；
(2)所述的工作電極材料可以是熱電偶如R型熱電偶、T型熱電偶、K型熱電偶等，還可以使金屬導(dǎo)體，例如金、銀、銅等。也可以是碳質(zhì)材料，如鉛筆芯、石墨、玻碳等。所述的工作電極的形狀可以是微帶狀、微盤狀