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一次看懂DEMS質(zhì)譜儀的原理與應(yīng)用

來(lái)源：時(shí)間：2024-12-09 09:40:40 瀏覽：6503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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)測(cè)量不同質(zhì)荷比（m/z）的離子電流，來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)程監(jiān)測(cè)：DEMS用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池充放電過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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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