科学仪器的发明与使用以及仪器方法的开发对现代科学发展起到了十分关键的作用。新型的仪器方法有助于研究者发现新的实验现象与证实新的理论,并最终能够推动科学技术的进步与相关工业领域的前进。能源的开发、利用与污染环保等问题成为了近年来多国政府与企业研究机构最为关心的问题之一。随着国际能源问题的日益突出,各国政府给予了可再生能源与新能源高度重视,并加大了能源相关领域的资源投入,燃料电池、锂离子电池、锂空气电池等新能源研究领域也愈加火热。为了解决能源化学领域的重要科学问题,研制针对于能源领域的新型谱学仪器并发展适用于能源转化装置的配套原位方法是十分必要的。本论文从能源领域方面的研究方法入手,依托于“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置”的国家重大科研仪器设备研制专项,设计研究搭建项目中的光检测研究实验线站的表界面反射红外光谱系统。同时搭建了膜进样电化学质谱以及基于电化学质谱的可应用于直接醇类燃料电池、氢氧燃料电池、锂离子电池、锂空气电池等能源转化原位产物检测方法。本论文主要结果如下:1、搭建了可在工况条件下研究直接醇类燃料电池与氢氧燃料电池的电化学质谱方法,利用毛细管与自主设计的差分进样真空汽化接头,实现燃料电池催化层产物的原位连续采样、汽化与检测,可实时监测燃料电池运行过程中催化层反应物与产物的浓度及其变化趋势。相对于现有电化学质谱方法,该方法优势在于能够直接检测水溶性强,难挥发的物种,并且毛细管探头尺寸小,可以直接插入燃料电池催化层和流场,实现在工况条件下检测。基于该方法,我们发现在直接乙醇燃料电池中,阴极侧的氧气会通过Nafion膜渗透到阳极,并导致约10%的乙醇经由PtRu/C颗粒化学催化氧化成乙酸,从而造成燃料损失和阳极混合电位。在PtRu/C催化剂的作用下乙醇主要转化为乙醛与乙酸,没有检测到明显的CO2信号,其原因是乙醇的C-C键难以断裂,无法进行彻底氧化,燃料利用率低。2、搭建了可以应用于锂离子电池与锂空气电池的原位产气的质谱分析方法并设计了基于扣式电池可充至5 V高电压的用于原位质谱与原位XRD联用检测的电解池,在该条件下测试富锂材料充放电曲线容量能够达到扣式电池的充放电水平的90～95%。我们运用该方法研究了LAPF（LiAlPO3.93F1.07）包覆与NHP（NH4H2PO4）前处理等手段对于富锂锰基层状正极材料在组装成为锂离子电池进行充放电循环时的产气影响。LAPF包覆在正极材料表面能够有效阻隔含Ni4+的高能正极材料表面与电解液的接触,能减少因材料表面催化所造成的电解液分解现象。NHP的前处理能够提前活化富锂材料表面的Li2MnO3,从而抑制富锂材料电池充电过程中O2的生成。3、在双离子电池研究中,我们利用电化学质谱方法研究碳酸亚乙烯酯VC添加剂对双离子电池的影响,利用电化学质谱方法对比了有无添加3%VC的电池中充放电时的CO2、PF3、CH3CH2F以及C2H4F2随电位的生成、释放情况,通过EIS与原位XRD方法辅证发现VC的添加能够协助形成性能好、质量高的SEI膜,同时VC的加入能够抑制在充放电循环中的SEI反复生成分解造成的SEI膜增厚现象,有效减少电池内阻。4、在锂空气电池中,我们利用电化学质谱方法实现对O2与CO2的生成浓度进行实时检测,并计算氧气理论使用效率。研究了钌-联吡啶化合物作为添加剂在锂空电池中起到的作用,RuPC的加入能够降低电压极化、提高02的利用率同时有效减少因电解液分解所产生的CO2的总量。在二甲基亚砜作为电解液溶剂的锂空气电池中,我们首次观测到了二甲硫醚m/z=62的信号随电位作用发生变化,二甲硫醚作为二甲基亚砜分解产物之一,是指认电解液溶剂分解的直接证据。5、依托于“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置”的国家重大科研仪器设备研制专项的平台,我们通过光源与光路设计、仪器改造、真空设计和电化学原位池等设计、加工与组装等,总体上搭建了红外自由电子激光的表界面反射红外光谱系统。所搭建的系统可连接中红外自由电子激光、远红外自由电子激光以及中红外常规红外光源,有望在4000～100 cm-1宽波段进行检测。同时该检测系统还搭载了原位内、外反射式电化学红外光谱测试系统。由于目前光源还在建设中,光谱系统尚待最终调试。