基于光電效應的高功率化學原電池研究

劉梓博 王曉玲* 尹克勤 袁宇軒

（北京信息科技大學儀器與光電工程學院，北京 100192）

1 概述

綠色生態(tài)和節(jié)約能源是當前全社會關注的熱點問題，提高綠色動力主要來源- 化學原電池的工作效率是目前急需解決的重要科技和工程問題。如今化學原電池廣泛存在于市場中，但高功率化學原電池卻鮮為人知，高功率化學原電池可以切實解決汽車動力不足，所需功率不夠這一實際問題。近年來，需要跨學科、跨領域協(xié)作解決的復雜真實問題在全球不斷涌現(xiàn)[1]。將光電效應這一傳統(tǒng)物理概念引入化學原電池，使其轉(zhuǎn)換效率和功率提高是一種需要跨學科研究的創(chuàng)新性思路。化學原電池與光電效應領域已有相當?shù)幕A知識做支撐，能夠提供解決問題的工具與方法，本文采用的是替換法，將實際應用的鉛酸電池替換為更安全環(huán)保的銅鋅原電池，設計出有理論知識支撐的實驗，通過創(chuàng)新性思路解決相應的實際問題，在實驗中出現(xiàn)溢出的光電子無法在空氣中移動，采用將極片侵入溶液中的方法，使電子能夠有移動的環(huán)境，在應用光電效應以及工程知識的前提下，設計兩種實驗方案。

2 實驗原理

原電池的發(fā)明歷史可追溯到18 世紀末期，當時意大利生物學家伽伐尼正在進行著名的青蛙實驗，當用金屬手術刀接觸蛙腿時，發(fā)現(xiàn)蛙腿會抽搐。伏特認為這是金屬與蛙腿組織液（電解質(zhì)溶液）之間產(chǎn)生的電流刺激造成的。1800 年，伏特據(jù)此設計出了被稱為伏打電堆的裝置，鋅為負極，銀為正極，用鹽水作電解質(zhì)溶液。1836 年，丹尼爾發(fā)明了世界上第一個實用電池，并用于早期鐵路信號燈。

原電池是把化學能轉(zhuǎn)化成電能的一個裝置，它由兩個活潑性不同的電極以及電解質(zhì)溶液或者熔融的電解質(zhì)內(nèi)共同構成。連電池的兩極分別稱之為正極和負極，容易失電子的一起作為負極，反之則作為正極。但是作為負極來說，它必須能夠和電解質(zhì)溶液發(fā)生自發(fā)的氧化反應，當兩個電極的材料都插入到電解質(zhì)溶液中，并且把這兩極相連形成一個閉合電路，這個電池的裝置才會出現(xiàn)變化反應，從而產(chǎn)生電流。原電池的應用主要體現(xiàn)在兩個方面，一個方面是利用原電池自發(fā)地進行氧化還原反應，從而開發(fā)出化學電源。原電池是一種將化學能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。原電池的構成條件：活動性不同的兩個電極、電解質(zhì)溶液、形成閉合回路。一強一弱兩塊板，兩極必用導線連，同時插入電解液，活動導體放在溶液中。只有氧化還原反應才有電子的得失并且有可能被設計成原電池（復分解反應永遠不可能被設計成原電池）。氧化還原反應中還原劑的氧化反應和氧化劑的還原反應同時發(fā)生，一個氧化還原反應被設計成原電池后，氧化反應和還原反應被分別設計在負極和正極發(fā)生，兩極反應式疊加后應該與氧化還原反應式吻合，負極失去的電子數(shù)與正極得到的電子數(shù)相等。無論怎樣的電極材料、電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)的電解質(zhì)）構成原電池，只要是原電池永遠遵守電極的規(guī)定：電子流出的電極是負極，電子流入的電極是正極。在化學反應中，失去電子的反應（電子流出的反應）是氧化反應，得到電子的反應（電子流入的反應）是還原反應，所以在原電池中：負極永遠發(fā)生氧化反應，正極永遠發(fā)生還原反應。原電池作為一種化學電源，當它用導線連接上用電器形成閉合回路時就會有電流通過。在外電路：電流的流向是從電源的正極出發(fā)經(jīng)用電器流向電源的負極。電子的流向是從電源的負極出發(fā)經(jīng)用電器流向電源的正極。在內(nèi)電路：電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動，因為：正極是電子流入的電極，正極聚集了大量的電子，而電子帶負電，吸引陽離子向正極移動。電解質(zhì)溶液中的陰離子向負極移動，因為：負極溶解失去電子變成陽離子，陽離子大量聚集在負極，吸引陰離子向負極移動。

但是，需要注意的是非氧化還原反應一樣可以設計成原電池。從能量轉(zhuǎn)化角度看，原電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置；從化學反應角度看，原電池的原理是氧化還原反應中的還原劑失去的電子經(jīng)外接導線傳遞給氧化劑，使氧化還原反應分別在兩個電極上進行。形成條件主要包括：第一，電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導電的材料（非金屬或某些氧化物等）組成。第二,電解質(zhì)存在。第三,兩電極之間有導線連接，形成閉合回路。第四,發(fā)生的反應是自發(fā)的氧化還原反應。只要具備前三個條件就可構成原電池。而化學電源因為要求可以提供持續(xù)而穩(wěn)定的電流，所以除了必須具備原電池的三個構成條件之外，還要求有自發(fā)進行的化學反應。基于化學原電池的原理可以設計實驗，通過替代法進行相關實驗。在常見電極中的鉛蓄電池是目前大多數(shù)電動汽車在用的主要電池。這些化學原電池原理也是高功率化學原電池研究的基礎，在這些基礎之上，應用光電效應。

在19 世紀，德國物理學家赫茲在研究電磁波的發(fā)射和接收時，首次發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象。光電效應就是光照射在金屬表面時，瞬間釋放出電子的現(xiàn)象。如圖1 所示,實驗中的光電效應，滿足以下所有條件：光子是粒子，電子是粒子。光子被原子核捕獲后身份轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮印９庾拥膭恿看笮∈且粋€范圍值。光子進入光電效應板后，一部分光子會被原子核捕獲，成為電子。光子不斷進入光電效應板，不斷被原子核捕獲。光電效應板內(nèi)的電子密度不斷增加，假設光電效應板飽和時，電子密度為100。假設導線中電子密度是10，那么導線與光電效應板結(jié)合的瞬間會發(fā)生電子密度中和，此時由于電子密度差異，形成電流。電壓其實就是電子密度的差異。電子密度中和時的電子流動形成電流。不同原子核對光子的束縛力不同，因此只有光子動量大小合適時，才能被原子核捕獲。

圖1 光電效應示意圖

當光照射在光電管內(nèi)部的K 極板上時，會有光電子溢出，形成光電流，在光電管兩極施加電壓，將使溢出的光電子運動加速，這樣放大了電流[2]，光子的能量：E＝hν，每個光子的能量只取決于光的頻率。在實驗中選用的鋅板對應截止頻率為8.07×1014HZ，因此只需要用對應頻率光源照射即可獲得相應現(xiàn)象。氫原子的能級結(jié)構模型中，氫原子從低能級向高能級躍遷時需要吸收光子，當光子能量大于或等于氫原子所在能級的能量時，氫原子就會躍遷到游離態(tài)，核外電子將會脫離原子核的束縛形成自由電子，即氫原子的核外電子吸收光的能量，將其中的一部分能量用于克服原子核的束縛做功，剩下的能量給電子提供動能。但是因為氫是非金屬，其原子核對核外電子的束縛太強，所以很難使氫的核外電子發(fā)生電離。而金屬元素的原子核對核外電子的束縛就比較小，所以金屬元素很容易發(fā)生光電效應。光照射到金屬表面時，金屬原子的核外電子也會吸收光子，將光子能量的一部分能量用于克服原子核的束縛做功，剩下的能量給電子提供動能。因為金屬原子吸收的是光子，而且一次只能吸收一個光子，在能量上面沒有積累的過程，所以光電效應總是在瞬間發(fā)生；吸收的光子能量必須要大于逸出功才能發(fā)生光電效應現(xiàn)象。而當電子逸出后也使很難收集，已知光電元件作為光電式傳感器最基本的部件有較多種類，其中光電管、光電倍增管等光電元件是基于外光電效應原理的，光敏電阻、光敏二極管、光電池等光電元件是基于內(nèi)光電效應原理的[3]，通過對光電式傳感器的原理及其特性的分析，得到這種傳感器具有許多其它同類傳感器不具備的特點，如結(jié)構簡單、使用方便、穩(wěn)定性好等[4]。可以采用模擬光電管的方法來收集電子。

3 實驗設計

應用鉛酸電池的陰極金屬則為鉛棒，在對應的相應光照射下也會發(fā)生光電效應，設計了實驗A 和B 兩種方案。

3.1 實驗A 的設計方案

實驗A 主要思路是通過鋅板代替鉛棒，陽極金屬為銅棒，電解質(zhì)溶液為氯化鈉溶液，通過觀察鋅的截止光頻率照射后電路電流變化從而得出結(jié)論。

實驗A 通過利用基礎的化學知識，設計簡單的化學電池，為了便于觀察，使用了量級小的銅鋅原電池，用氯化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液，幫助電子移動，建立回路，連接對應量級電流表，計算出鋅片所需截止頻率為8.07×1014HZ，所需對應光源則為372nm 以下的任意光源，這里實驗光源為LED光源，LED 光源為發(fā)光二極管光源，此種光源具有體積小、壽命長、效率高等優(yōu)點。在實驗當中需讓鋅極充滿負電（在發(fā)生光電效應失去電子后不會因此而給予逸出電子相應吸引力，方便電子發(fā)生定向移動），使正負極金屬片侵入溶液當中，為電子定向移動構成回路。利用對應光源持續(xù)照射鋅板，使其發(fā)生光電效應并逸出電子，觀察電流表的示值得出結(jié)論。

3.1.1 先構建如圖2 所示的化學電路，測量并記錄電流計示數(shù)大小。

圖2 等效鋅銅化學原電池

3.1.2 將鋅棒全部浸入水中，為逸出電子提供移動條件。

3.1.3 通過將對應截止頻率光源（這里選用的是波長為290nm 的紫外線光源）照射鋅棒，使電子逸出，觀查電流表示數(shù)變化并記錄。

理想情況下，當鋅片侵入溶液中后可以解決電子在空中無法定向移動的問題，但基于關于光電效應發(fā)生后電子的移動的不可知性，如若上述方案不能順利完成實驗或觀察變化結(jié)果不明顯，則可以通過參考光電管的工作原理設計B 實驗,通過在陰極（即鋅板）上附著光電管保持陰極真空并能使電子定向移動，將移動電子輸出口接入電路，再觀察電流變化以及實驗結(jié)果。

3.2 實驗B 的設計方案

實驗B 的作用是在實驗A 無法得到預期效果的前提下，通過光電管收集光電子，達到增加電流的作用。光電式傳感器是一種基于光電效應的傳感器[5]，真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構成。當入射光線穿過光窗照到光陰極上時，由于外光電效應（見光電式傳感器），光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。按照光陰極和陽極的形狀和設置的不同，光電管一般可分為5 種類型。a.中心陰極型：這種類型由于陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用于低照度探測和光子初速度分布的測量。b.中心陽極型：這種類型由于陰極面積大，對入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時間的一致性好;其缺點是光電子接收特性差，需要較高的陽極電壓。c.半圓柱面陰極型：這種結(jié)構有利于增加極間絕緣性能和減少漏電流。d.平行平板極型：這種類型的特點是光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡，電極對于光線入射的一致性好。e.帶圓筒平板陰極型：它的特點是結(jié)構緊湊、體積小、工作穩(wěn)定。需要制作出對應的光學原件，通過利用真空中使逸出電子定向移動的原理，將光電管加于實驗A 電路當中，從而觀察實驗效果。

通過設計光電管的原理設計出類似于圖3 的發(fā)生裝置光電管，將電極板替換為鋅極板，使其能夠收集電子并使其定向移動。

圖3 光電管原理示意圖

將設計好的光電管裝置置于電路當中，再次通過290nm的紫外線光照射電極，同時觀察電流表及電壓表示數(shù)變化并記錄。

3.3 實驗結(jié)果討論

通過實驗A，預期可能會出現(xiàn)問題的原因及解決方法如下：如果電子數(shù)量不夠無法增加電流,可能的原因一：鋅片出現(xiàn)問題，經(jīng)光源照射后未能發(fā)生光電效應，因此未觀察到變化解決方法：更換新的、表面積更大的鋅片，擦拭表面，使其滿足發(fā)生光電效應的條件，并能易于發(fā)生，便于發(fā)現(xiàn)。但仍未觀察到結(jié)果的原因二：發(fā)生光電效應后，電子沒有被收集，無法定向移動，散落存在于溶液當中，未能產(chǎn)生電流，無法觀察到實驗現(xiàn)象。

在實驗理論成立的前提下，電子收集方面的相關技術有待進一步提高，可以采用設計能夠收集電子并使其定向移動的光電元件，類似于光電管的工作原理，使其接入電路當中，與化學原電池產(chǎn)生的電子共同定向移動，產(chǎn)生更大電流。即實驗B 方案。由于光電管陰極材料中的電子脫離材料本身需要做功比較大，其對應功值的大小取決于其材料的類型，從而產(chǎn)了不同的光線頻率閥值，即紅限頻率。強度相同且頻率超過紅限頻率的光照也會因為其頻率的改變導致從陰極逸出的光電子數(shù)量發(fā)生改變，光電管的靈敏度也隨之發(fā)生改變，即為光電管的光譜特性。鑒于光電管的此類特性，其陰極材料的選取應以光的波長區(qū)域范圍為準，以發(fā)揮光電管的最佳性能[6]。

通過實驗A 和實驗B 兩種方案，應該能夠得到基于光電效應的高轉(zhuǎn)換效率的化學原電池，目前需要解決的問題是實驗過程中遇到的增強電子收集能力的工程問題，本研究提出了用光電管收集電子的方案。隨著研究的深入和實驗條件的進一步完善，該創(chuàng)新性方案可以得到有效的成果，該成果可以用于提高化學原電池的功率實踐中。