基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法，屬于光學(xué)視窗防生物污損領(lǐng)域。該水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置包括電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口，其以透明基板為基底，基底表面設(shè)有ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線與電源的正負(fù)極相連。本發(fā)明對(duì)ITO電極的形狀、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用電解海水進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)析氯的方法，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)窗口表面的防污損；陰、陽(yáng)兩極發(fā)生的電極反應(yīng)及產(chǎn)物相互作用形成次氯酸根，可殺滅附著在玻璃表面的生物，進(jìn)一步起到防止生物污損的效果。
【專利說(shuō)明】
基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)視窗防生物污損領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋環(huán)境研究和資源開(kāi)發(fā)利用日益受到各國(guó)的高度關(guān)注，在海洋研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)海數(shù)據(jù)的采集正向自動(dòng)控制、原位測(cè)量、無(wú)人值守的方向發(fā)展。人們建立了諸多海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并布設(shè)不同的傳感器跟蹤和測(cè)量各種海水相關(guān)數(shù)據(jù)，比如溶解氧濃度、濁度、導(dǎo)電率、酸度、熒光強(qiáng)度等。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在預(yù)定海域達(dá)到近乎連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，能更加詳實(shí)和精確的反映海洋的實(shí)時(shí)狀態(tài)，為人類探索和開(kāi)發(fā)海洋提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
[0003]用于原位監(jiān)測(cè)的水下光學(xué)器件(如光學(xué)傳感器和照明系統(tǒng))對(duì)于海洋環(huán)境研究和資源開(kāi)發(fā)必不可少。一般而言，透明材料可以作為此類光學(xué)器件窗口的首選，通過(guò)光的透過(guò)可實(shí)時(shí)采集外界海水的信息。然而，處于海水中的光學(xué)器件將在短時(shí)間內(nèi)被生物膜所覆蓋，之后宏觀生物群落形成，造成嚴(yán)重生物污損。生物污損會(huì)對(duì)水下器件的光學(xué)窗口造成諸多不利影響，是限制此類海洋裝備測(cè)試精度和正常使用的重要因素，這對(duì)于高質(zhì)量、高精確度科學(xué)數(shù)據(jù)的獲取是極為不利的。一旦光學(xué)窗口遭受生物污損，其性能將受到不同程度的影響，需要耗資高、難度大的實(shí)海維護(hù)，故提高水下光學(xué)器件窗口材料的防污損對(duì)海洋的探索、開(kāi)發(fā)和利用具有重要意義。
[0004]目前，水下儀器光學(xué)窗口的防生物污損系統(tǒng)主要有以下三種類型:(I)刮刀式機(jī)械防除污損系統(tǒng)；(2)基于銅腐蝕的“銅罩”防污損系統(tǒng)；(3)受控式電解海水產(chǎn)氯系統(tǒng)。刮刀式機(jī)械防除污損系統(tǒng)需要利用內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)給外界刮刀提供動(dòng)力。儀器在布放于海水之前，需設(shè)定好刮刀對(duì)光學(xué)窗口外沿的刮擦頻率，從而在布放過(guò)程中按預(yù)定程序進(jìn)行刮擦。即使光學(xué)窗口附近有污損生物的聚集，在刮刀作用下也將清除，使光學(xué)窗口免于污損。但是，此類技術(shù)存在如下缺點(diǎn):首先，由于馬達(dá)等配套裝置，其成本較高，電能消耗較大。再者，如果儀器所處海域污損程度高，而預(yù)設(shè)刮擦頻率低，則相關(guān)的光學(xué)窗口依然會(huì)被污損。銅罩法也是海洋光學(xué)窗口常用的防污損方式。由于銅在海水中易于腐蝕，產(chǎn)生的銅離子向海水中擴(kuò)散，將對(duì)靠近光學(xué)窗口的海生物起到殺滅和驅(qū)趕的作用，從而抑制生物污損的發(fā)生。然而，此類方法也存在諸多缺點(diǎn)。首先，防污損的效果依賴于銅罩系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)，如若存在設(shè)計(jì)缺陷，則相應(yīng)的銅罩難以起到有效的防污效果;再者，由于銅離子擴(kuò)散濃度與銅罩距離相關(guān)，其防污效果只能在短距離內(nèi)有效;第三，對(duì)于光學(xué)儀器而言，銅罩可能阻擋光路，從而影響傳感器的正常工作。
[0005]受控式電解海水產(chǎn)氯系統(tǒng)原理最早由法國(guó)國(guó)家科研中心研究者提出。從1998年開(kāi)始，相關(guān)研究人員即利用ITO玻璃電解海水制氯進(jìn)行防污損研究。當(dāng)把普通玻璃和產(chǎn)氯ITO導(dǎo)電玻璃一起置于海水中掛樣90天時(shí)間，普通玻璃表面逐漸有污損生物附著，最后影響其透明的效果。然而，對(duì)于電解產(chǎn)氯ITO玻璃而言，即使經(jīng)歷了90天的浸泡時(shí)間，玻璃表面依然光潔如初，這說(shuō)明表面兒乎沒(méi)有污損生物的附著，從而證明在外界控制下電解產(chǎn)氯可以有效保護(hù)玻璃基體免于發(fā)生生物污損。
[0006]本課題組在前期工作中也據(jù)此原理開(kāi)展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)單純ITO材料不能作為高效催化劑從海水中電解制氯。主要體現(xiàn)在以下方面:首先，ITO玻璃在海水中耐久性差，其導(dǎo)電性和電解效率很快退化。這是因?yàn)殡娊夂Ｋl(fā)生如下反應(yīng):2Cl—-2e = Cl2，而氯氣與水發(fā)生反應(yīng):Cl2+H20 = HCl+HC10，即陽(yáng)極表面為酸性環(huán)境，而ITO溶于酸性環(huán)境中，故該電極在陽(yáng)極電解海水過(guò)程中效率會(huì)很快降低;再者ITO電解產(chǎn)氯的過(guò)電位高，所需能耗高，這對(duì)海洋水下設(shè)備的長(zhǎng)效運(yùn)轉(zhuǎn)目標(biāo)不利。為改善產(chǎn)氯效率，申請(qǐng)者前期研究中采用ITO表面負(fù)載Pt的方式并收到了顯著成效，主要體現(xiàn)為:(I)電解穩(wěn)定性提高。惰性金屬Pt在表面形成保護(hù)層，有效阻隔Pt所覆蓋的ITO與外界酸性環(huán)境的接觸，從而保證ITO不被溶解，從而保持高的導(dǎo)電性；(2)產(chǎn)氯過(guò)電位顯著降低。析出氯氣電位由ITO的1.5V變?yōu)?.1V，降低了0.4V。然而此類材料依然存在不足，表現(xiàn)為:(I)構(gòu)成的Pt/ITO以膜層的形式覆蓋了整個(gè)玻璃表面，而Pt本身為納米顆粒，對(duì)特定光波存在相互作用，故限制了在水下光學(xué)鏡頭中的使用。若采取減小Pt/ITO在表面覆蓋面積的方式，則相關(guān)電極在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氯量不夠，達(dá)不到殺滅生物所需的最低濃度來(lái)避免污損。由于光學(xué)鏡頭處于開(kāi)放的海水環(huán)境，故需要高的產(chǎn)氯效率，需要增大電極比表面積和增多析氯活性位點(diǎn)的方式得以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]1、本發(fā)明提供一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，包括電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口和電源，電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口通過(guò)電源控制開(kāi)關(guān)與電源電性連接；
[0010]所述電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口以透明基板為基底，基底的表面設(shè)有ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線與外部電源的正、負(fù)極相連。
[0011]優(yōu)選，所述ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端分別向內(nèi)側(cè)彎折成環(huán)狀或半環(huán)狀布置在基底的表面。
[0012]優(yōu)選，所述ITO陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列。
[0013]優(yōu)選，所述ITO導(dǎo)電層表面沉積有析氯惰性金屬層，析氯惰性金屬層中所涉及的金屬通常為Pt。
[0014]所述ITO導(dǎo)電層表面沉積有惰性金屬層，惰性金屬層表面沉積有多孔導(dǎo)電層，多孔導(dǎo)電層表面沉積有析氯催化層;其中惰性金屬層中所涉及的惰性金屬為Pt、RU、Ir中的至少一種，多孔導(dǎo)電層為石墨烯層、碳納米管層、Naf1n復(fù)合層中的至少一種，析氯催化層為Pt、Ti02、Ru02中的至少一種。
[0015]優(yōu)選，所述電源控制開(kāi)關(guān)為可編程控制開(kāi)關(guān)。
[0016]2、本發(fā)明還提供一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，包括如下步驟:
[0017]I)電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的制備
[0018]以透明基板作為電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的基底，在其表面構(gòu)筑ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線；
[0019]2)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的組裝
[0020]將ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出的引線連接至電源的正、負(fù)極，將電源和電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口組合為一體；
[0021]3)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的防污評(píng)價(jià)
[0022]將組裝好的防生物污損裝置浸泡于海水或含有目標(biāo)生物的培養(yǎng)液中，在通電條件下，進(jìn)行周期性電解產(chǎn)氯，獲取水下光學(xué)窗口的表面污損狀態(tài)。
[0023]優(yōu)選，步驟I)中ITO導(dǎo)電層的構(gòu)筑方法為:利用掩膜法結(jié)合ITO濺射在基底表面形成ITO陽(yáng)極環(huán)和ITO陰極環(huán)。
[0024]優(yōu)選，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成析氯惰性金屬層，析氯惰性金屬層中所涉及的金屬通常為Pt。
[0025]優(yōu)選，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成惰性金屬層，在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層;其中惰性金屬層中所涉及的惰性金屬為Pt、Ru、Ir中的至少一種，多孔導(dǎo)電層為石墨稀層、碳納米管層、Naf 1n復(fù)合層中的至少一種，析氯催化層為Pt、Ti02、Ru02中的至少一種。
[0026]優(yōu)選，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成惰性金屬層，在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層所采用的沉積方法為電化學(xué)沉積法、電泳沉積法或化學(xué)氣相沉積法。
[0027]優(yōu)選，步驟I)中所述ITO陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列。
[0028]本發(fā)明的一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法與現(xiàn)有技術(shù)相比所產(chǎn)生的有益效果是:
[0029]1、IT0陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，陽(yáng)極所產(chǎn)生的氯氣擴(kuò)散到陰極區(qū)，使pH降低，避免ITO電極溶于酸性環(huán)境中，效率會(huì)很快降低。另外，氯氣可與陰極區(qū)富集的0H—反應(yīng)生成NaC1，此殺菌劑更有利于生物的驅(qū)散，并避免因?yàn)殛帢O極化可能造成的海洋環(huán)境中某些電活性微生物在電極表面的附著；
[0030]2、IT0陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列，進(jìn)一步增多了 ITO電極的析氯活性位點(diǎn)，提高了產(chǎn)氯效率；
[0031]3、本發(fā)明的電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口，在ITO導(dǎo)電層表面沉積惰性金屬形成保護(hù)層，有效阻隔ITO導(dǎo)電層與外界酸性環(huán)境的直接接觸，從而保證ITO導(dǎo)電層不被溶解，從而保持高的導(dǎo)電性；
[0032]4、在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，并在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層，多孔導(dǎo)電層作為析氯催化劑的載體，利用其大的比表面積，使所負(fù)載的析氯催化劑增多，增多了析氯活性位點(diǎn)，使得產(chǎn)氯過(guò)電位顯著降低，析出氯氣電位由ITO電極的1.5V變?yōu)?.1V，降低了 0.4V，同時(shí)，也保證了裝置在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氯量，提高了產(chǎn)氯效率。
[0033]本發(fā)明電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口表面所布設(shè)的ITO電極以環(huán)道狀電極對(duì)稱分布，而非光學(xué)窗口表面的全覆蓋方式，避免了納米顆粒對(duì)特定光波存在相互作用，滿足在水下光學(xué)鏡頭中使用的需求;通過(guò)沉積方法在光學(xué)窗口表面構(gòu)建惰性金屬層、多孔導(dǎo)電層及析氯催化層，原位電解產(chǎn)氯氣，增加了ITO電極的比表面積，增多了析氯活性位點(diǎn)，保證了裝置在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氯量，提高了產(chǎn)氯效率，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)窗口表面的防污損；同時(shí)，陰、陽(yáng)兩極發(fā)生的電極反應(yīng)及產(chǎn)物相互作用形成次氯酸根，擴(kuò)散到電極臨近區(qū)域，可殺滅附著在玻璃表面的生物，進(jìn)一步起到防止生物污損的效果。本發(fā)明的方法為長(zhǎng)期服役于水下的光學(xué)儀器設(shè)備獲取高質(zhì)量、高靈敏度的數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用本發(fā)明的防生物污損裝置，產(chǎn)氯量穩(wěn)定、高效、可靠，可長(zhǎng)期發(fā)揮較高的防止生物附著的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0034]附圖1是本發(fā)明電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]附圖2是本發(fā)明圖1中A部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]附圖3是本發(fā)明圖2中A部分的放大縱剖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]附圖4是本發(fā)明基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]附圖5是本發(fā)明發(fā)生的電極反應(yīng)及產(chǎn)物相互作用示意圖；
[0039]附圖6本發(fā)明基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的制備流程示意圖；
[0040]附圖7是本發(fā)明在通電條件下，連續(xù)使用兩周后光學(xué)窗口的污損狀態(tài)圖；
[0041 ]附圖8是本發(fā)明在未通電條件下，連續(xù)使用兩周后光學(xué)窗口的污損狀態(tài)圖。
[0042]圖中，1、電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口，2、IT0陰極環(huán)，3、引線，4、IT0陽(yáng)極環(huán)，5、梳齒，6、Pt層(b)，7、石墨烯層，8、Pt層(a)，9、ITO導(dǎo)電層，10、基底，11、可編程控制開(kāi)關(guān)，12、電源。注:圖
7、8中標(biāo)尺均為500微米。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖1-8，對(duì)本發(fā)明的一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置和方法作以下詳細(xì)說(shuō)明。
[0044]1、基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置
[0045]本發(fā)明的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，包括電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I，其以透明基板為基底，基底的表面設(shè)有ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線與外部電源的正、負(fù)極相連。
[0046]本發(fā)明中所涉及的透明基板為光學(xué)玻璃，如可選用有機(jī)玻璃或無(wú)機(jī)玻璃。
[0047]本發(fā)明中，優(yōu)選ITO陽(yáng)極和ITO陰極兩端分別向內(nèi)側(cè)彎折成環(huán)狀或半環(huán)狀布置在基底的表面，該環(huán)狀可以為圓環(huán)、方環(huán)或橢圓環(huán)，進(jìn)一步優(yōu)選ITO陽(yáng)極環(huán)和ITO陰極環(huán)為同軸設(shè)置。
[0048]本發(fā)明中，優(yōu)選ITO陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列。
[0049]本發(fā)明中，還可進(jìn)一步在ITO導(dǎo)電層表面沉積析氯惰性金屬層，形成惰性金屬層修飾的ITO導(dǎo)電層，析氯惰性金屬層中所涉及的金屬通常為Pt，Pt層一方面用于形成保護(hù)層，避免ITO導(dǎo)電層不被溶解，另一方面，還可作為電化學(xué)催化劑，提高產(chǎn)氯效率。
[0050]本發(fā)明中，還可進(jìn)一步在ITO導(dǎo)電層表面沉積惰性金屬層，惰性金屬層表面沉積多孔導(dǎo)電層，多孔導(dǎo)電層表面沉積析氯催化層。其中，惰性金屬層用于形成保護(hù)層，有效阻隔ITO導(dǎo)電層與外界酸性環(huán)境的直接接觸，多孔導(dǎo)電層作為析氯催化劑的載體，利用其大的比表面積，增多所負(fù)載的析氯活性位點(diǎn)。
[0051 ]本發(fā)明中，惰性金屬層中所涉及的惰性金屬為Pt、Ru、Ir中的至少一種，優(yōu)選惰性金屬為Pt;多孔導(dǎo)電層為石墨稀層、碳納米管層、Naf 1n復(fù)合層中的至少一種，優(yōu)選為石墨稀層;析氯催化層為Pt、T i02、Ru02中的至少一種，優(yōu)選為Pt。
[0052]2、基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法
[0053]本發(fā)明的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，包括如下步驟:
[0054]I)電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的制備
[0055]以透明基板作為電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的基底，在其表面構(gòu)筑ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線；
[0056]2)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的組裝
[0057]將ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出的引線連接至電源的正、負(fù)極，將電源和電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口組合為一體；
[0058]3)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的防污評(píng)價(jià)
[0059]將組裝好的防生物污損裝置浸泡于海水或含有目標(biāo)生物的培養(yǎng)液中，在通電條件下，進(jìn)行周期性電解產(chǎn)氯，獲取水下光學(xué)窗口的表面污損狀態(tài)。
[0060]本發(fā)明步驟I)中ITO導(dǎo)電層的構(gòu)筑方法為:利用掩膜法結(jié)合ITO濺射在基底表面形成ITO陽(yáng)極環(huán)和ITO陰極環(huán)。
[0061]本發(fā)明步驟I)中，還可進(jìn)一步在ITO導(dǎo)電層表面沉積析氯惰性金屬層，形成惰性金屬層修飾的ITO導(dǎo)電層。
[0062]本發(fā)明步驟I)中，還可進(jìn)一步在ITO導(dǎo)電層表面沉積惰性金屬層，惰性金屬層表面沉積多孔導(dǎo)電層，多孔導(dǎo)電層表面沉積析氯催化層，形成析氯催化層/多孔導(dǎo)電層/惰性金屬層的三明治結(jié)構(gòu)。
[0063]本發(fā)明中，在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成惰性金屬層，在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層所采用的沉積方法為電化學(xué)沉積法、電泳沉積法或化學(xué)氣相沉積法。
[0064]本發(fā)明中，優(yōu)選ITO陽(yáng)極和ITO陰極兩端分別向內(nèi)側(cè)彎折成環(huán)狀或半環(huán)狀布置在基底的表面，該環(huán)狀可以為圓環(huán)、方環(huán)或橢圓環(huán)，進(jìn)一步優(yōu)選ITO陽(yáng)極環(huán)和ITO陰極環(huán)為同軸設(shè)置。
[0065]本發(fā)明步驟I)中，優(yōu)選ITO陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列。
[0066]實(shí)施例一
[0067]如附圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，包括電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I，其以無(wú)機(jī)玻璃為基底10，基底10的表面依次設(shè)有ITO導(dǎo)電層9、在ITO導(dǎo)電層9表面沉積形成的Pt層(a)8、在Pt層的表面沉積形成的石墨烯層7、在石墨稀層7表面沉積形成的Pt層(b) 6。
[0068]ITO導(dǎo)電層9包括兩對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折成圓環(huán)狀布置在基底10的表面，形成ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2，ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2為同軸設(shè)置，且二者之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2的周向邊緣具有梳齒3，ITO陽(yáng)極環(huán)4與ITO陰極環(huán)2的梳齒3相對(duì)交錯(cuò)排列。ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2各自引出引線3與外部電源12的正、負(fù)極相連。
[0069]上述基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，還包括電源12，電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I通過(guò)可編程控制開(kāi)關(guān)11與電源12電連接。
[0070]需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中，ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2各為兩個(gè)，ITO陽(yáng)極環(huán)4為外環(huán)，ITO陰極環(huán)2為內(nèi)環(huán)，反之亦可，內(nèi)環(huán)為封閉環(huán)，在閉合環(huán)處引出一條引線3，外環(huán)為開(kāi)放環(huán)，引線3自開(kāi)放環(huán)兩端引出。
[0071 ] 本實(shí)施例中，電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I表面所布設(shè)的ITO電極以環(huán)道狀電極對(duì)稱分布，而非光學(xué)窗口表面的全覆蓋方式。環(huán)道電極電解產(chǎn)生的氯氣以及后續(xù)反應(yīng)生成的次氯酸根將擴(kuò)散至電極的臨近區(qū)域，形成污損屏蔽區(qū)域，這既能實(shí)現(xiàn)防污效果，又可避免光學(xué)窗口的光路受到防污材料的負(fù)面影響。具體的:
[0072]將該防生物污損裝置集成于水下光學(xué)裝置中，其所需電能由電池提供，利用預(yù)先編好程序的可編程控制開(kāi)關(guān)11控制電路的斷開(kāi)與閉合進(jìn)行間歇式電解海水，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低能耗。Pt層(a)8在ITO導(dǎo)電層9表面形成保護(hù)層，有效阻隔ITO導(dǎo)電層9與外界酸性環(huán)境的接觸，從而保證ITO電極不被溶解，從而保持高的導(dǎo)電性;Pt層(b)6作為電化學(xué)催化劑，石墨烯層7作為催化劑的載體，在低過(guò)電位下二者協(xié)同作用可陽(yáng)極電解海水產(chǎn)生氯氣，陰極生成氫氧根離子，二者混合形成次氯酸根(如附圖5所示)，其產(chǎn)氯過(guò)電位顯著降低，析出氯氣電位由ITO電極的1.5V變?yōu)?.1V，降低了0.4V。隨著強(qiáng)氧化性的次氯酸根擴(kuò)散到電極臨近區(qū)域，可殺滅附著在玻璃表面的生物，從而起到防止生物污損的效果。該方法對(duì)水下光學(xué)儀器提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、延長(zhǎng)使用時(shí)間、降低維護(hù)費(fèi)用等具有重要的意義。
[0073]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中可編程控制開(kāi)關(guān)11中所涉及的程序?yàn)楸绢I(lǐng)域公知技術(shù)，在此不再贅述。
[0074]實(shí)施例三
[0075]如附圖6所示，本發(fā)明的一種基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，包括如下步驟:
[0076]I)基于電化學(xué)原位析氯的電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I的制備
[0077]a、以有機(jī)玻璃作為電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I的基底10，利用掩膜法結(jié)合ITO濺射在基底10表面構(gòu)筑ITO導(dǎo)電層9，ITO導(dǎo)電層9包括兩對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折成圓環(huán)狀布置在基底1的表面，形成ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2，IT0陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2為同軸設(shè)置，且二者之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2的周向邊緣具有梳齒3，ITO陽(yáng)極環(huán)4與ITO陰極環(huán)2的梳齒3相對(duì)交錯(cuò)排列，ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2各自引出引線3。
[0078]b、采用電化學(xué)方法在ITO導(dǎo)電層9表面沉積Pt層(a)8，以提高ITO導(dǎo)電層9的導(dǎo)電性并形成惰性膜層保護(hù)ITO導(dǎo)電層9，具體的:在溶有Pt前驅(qū)物的水溶液中進(jìn)行電化學(xué)沉積，通過(guò)改變電位、時(shí)間等參數(shù)，在ITO導(dǎo)電層9表面生成光滑平整的沉積物;在沉積過(guò)程中，利用電化學(xué)噪聲對(duì)電化學(xué)沉積過(guò)程進(jìn)行原位跟蹤;本發(fā)明中Pt層(a)8電化學(xué)沉積條件為本領(lǐng)域公知技術(shù)。本實(shí)施例中，采用循環(huán)伏安法，以H2PtCl6為Pt前驅(qū)物，在-0.1V至-1.0V電位區(qū)間內(nèi)，10?100mV/s掃速下，循環(huán)沉積1-100次。
[0079]c、利用電泳方法在Pt層(a) 8表面沉積石墨烯層7，本發(fā)明中石墨烯層7電泳沉積條件為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。本實(shí)施例中，以氧化石墨烯為電泳沉積液，電壓值在-1.0V至-1.5V區(qū)間內(nèi)。
[0080]d、之后再采用電化學(xué)方法在石墨烯層7表面沉積Pt層(b)6，本發(fā)明中Pt層(b)6電化學(xué)沉積條件為本領(lǐng)域公知技術(shù)。本實(shí)施例中，采用循環(huán)伏安法，以H2PtCl6為Pt前驅(qū)物，在_
0.1V至-1.0V電位區(qū)間內(nèi)，循環(huán)沉積1-100次。
[0081]該結(jié)構(gòu)兼具高導(dǎo)電性、高催化性以及高穩(wěn)定性，適合于海水中電解產(chǎn)氯以及產(chǎn)氫，并生成次氯酸鈉用于光學(xué)窗口的防污損。
[0082]2)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的組裝
[0083]將ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2各自引出的引線3經(jīng)可編程控制開(kāi)關(guān)11連接至電源12的正、負(fù)極，將電源12、可編程控制開(kāi)關(guān)11和電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I組合為一體。
[0084]3)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的防污評(píng)價(jià)
[0085]將組裝好的防生物污損裝置浸泡于海水或含有目標(biāo)生物(如硅藻、藤壺)的培養(yǎng)液中，在通電條件下，進(jìn)行周期性電解產(chǎn)氯，并利用顯微鏡獲取電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I的表面污損狀態(tài)。
[0086]如附圖5所示，本發(fā)明的裝置電解產(chǎn)氯的原理為:
[0087]陰極:2Cr-2e—Cl2T，伴隨氯氣與水發(fā)生反應(yīng):C12+H20 = HC1+HC10
[0088]陽(yáng)極:2H20+2e—20H—+H2T
[0089]由于ITO陽(yáng)極環(huán)4和ITO陰極環(huán)2為同軸設(shè)置，且二者之間預(yù)留電極間隙，陽(yáng)極所產(chǎn)生的氯氣擴(kuò)散到陰極區(qū)，使PH降低，避免ITO電極溶于酸性環(huán)境中，效率會(huì)很快降低。另外，氯氣可與陰極區(qū)富集的0H—反應(yīng)生成NaC1，此殺菌劑更有利于生物的驅(qū)散，并避免因?yàn)殛帢O極化可能造成的海洋環(huán)境中某些電活性微生物在電極表面的附著。
[0090]防污評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)例
[0091 ]如為了防止娃藻在電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I結(jié)構(gòu)上的附著，以含有娃藻的海水作為電解液，在通電條件下，連續(xù)投入使用2周后，將裝置從海水中取出，利用顯微鏡觀察電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I的表面污損狀態(tài)，對(duì)比于未通電的光學(xué)窗口表面，污損狀態(tài)如圖7、8所不。
[0092]由圖7、8可知，通過(guò)電解海水生成有效氯可以有效的實(shí)現(xiàn)電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口 I表面污損生物的附著，有效氯可以殺死附著在窗口的生物，達(dá)到防止生物污損鏡頭的目的，而沒(méi)有電解產(chǎn)氯的光學(xué)窗口表面遭受了嚴(yán)重的生物污損。說(shuō)明該方法能夠作為實(shí)用手段用于光學(xué)玻璃的防海洋生物污損。
[0093]需要說(shuō)明的是，在研究中發(fā)現(xiàn)陰極在析出氫氣的同時(shí)，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的堿性(PH>
11)，如此高的堿性對(duì)適應(yīng)于弱堿性海水環(huán)境的生物體而言無(wú)法接受，這對(duì)防污損有利。然而，溶液PH升高將導(dǎo)致表面生成Mg(OH)2XaCO3等沉積物。對(duì)此問(wèn)題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的裝置時(shí)采用半環(huán)道產(chǎn)氯氣-半環(huán)道產(chǎn)氯氣的方式，即將ITO陽(yáng)極和或ITO陰極兩端分別向內(nèi)側(cè)彎折成半環(huán)狀布置在基底10的表面。這樣就降低了電極表面積和析氯活性位點(diǎn)，同時(shí)陽(yáng)極所產(chǎn)生的氯氣擴(kuò)散到陰極區(qū)，使PH降低，避免沉積物產(chǎn)生。另外，氯氣可與陰極區(qū)富集的0H—反應(yīng)生成NaC1，此殺菌劑更有利于生物的驅(qū)散，并避免因?yàn)殛帢O極化可能造成的海洋環(huán)境中某些電活性微生物在電極表面的附著。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，其特征在于，包括電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口和電源，電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口通過(guò)電源控制開(kāi)關(guān)與電源電性連接； 所述電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口以透明基板為基底，基底的表面設(shè)有ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線與外部電源的正、負(fù)極相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，其特征在于，所述ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端分別向內(nèi)側(cè)彎折成環(huán)狀或半環(huán)狀布置在基底的表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，其特征在于，所述ITO陽(yáng)極和ITO陰極的周向邊緣具有梳齒，ITO陽(yáng)極與ITO陰極的梳齒相對(duì)交錯(cuò)排列。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，其特征在于，所述ITO導(dǎo)電層表面沉積有析氯惰性金屬層。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置，其特征在于，所述ITO導(dǎo)電層表面沉積有惰性金屬層，惰性金屬層表面沉積有多孔導(dǎo)電層，多孔導(dǎo)電層表面沉積有析氯催化層。6.基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的制備 以透明基板作為電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口的基底，在其表面構(gòu)筑ITO導(dǎo)電層，ITO導(dǎo)電層包括至少一對(duì)ITO電極，每對(duì)所述ITO電極包括ITO陽(yáng)極和ITO陰極，ITO陽(yáng)極和/或ITO陰極兩端向內(nèi)側(cè)彎折布置在基底的表面，ITO陽(yáng)極和ITO陰極之間預(yù)留電極間隙，ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出引線； 2)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的組裝 將ITO陽(yáng)極和ITO陰極各自引出的引線連接至電源的正、負(fù)極，將電源和電解產(chǎn)氯光學(xué)窗口組合為一體； 3)基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損裝置的防污評(píng)價(jià) 將組裝好的防生物污損裝置浸泡于海水或含有目標(biāo)生物的培養(yǎng)液中，在通電條件下，進(jìn)行周期性電解產(chǎn)氯，獲取水下光學(xué)窗口的表面污損狀態(tài)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，其特征在于，步驟I)中ITO導(dǎo)電層的構(gòu)筑方法為:利用掩膜法結(jié)合ITO濺射在基底表面形成ITO陽(yáng)極環(huán)和ITO陰極環(huán)。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，其特征在于，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成析氯惰性金屬層。9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，其特征在于，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成惰性金屬層，在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于電化學(xué)原位析氯的水下光學(xué)窗口的防生物污損方法，其特征在于，步驟I)中在ITO導(dǎo)電層表面沉積形成惰性金屬層，在惰性金屬層表面沉積形成多孔導(dǎo)電層，在多孔導(dǎo)電層表面沉積形成析氯催化層所采用的沉積方法為電化學(xué)沉積法、電泳沉積法或化學(xué)氣相沉積法。
【文檔編號(hào)】C23C14/34GK105862067SQ201610272210
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】邱日, 鄭紀(jì)勇, 侯健
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所