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【深度热点】电化学工作站的基本原理及应用

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2018-08-24 15:27
来源:实验与分析
实验与分析
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  电化学工作站(Electro chemical workstation)是电化学测量系统的简称,是电化学研究和教学常用的测量设备。其主要有2大类,单通道工作站和多通道工作站,应用于生物技术、物质的定性定量分析等。

  一、电化学工作站基本概述

  电化学工作站在电池检测中占有重要地位,它将恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合,既可以做三种基本功能的常规试验,也可以做基于这三种基本功能的程式化试验。在试验中,既能检测电池电压、电流、容量等基本参数,又能检测体现电池反应机理的交流阻抗参数,从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。

电化学工作站基本原理图

  电极是与电解质溶液或电解质接触的电子导体或半导体,为多相体系。电化学体系借助于电极实现电能的输入或输出,电极是实施电极反应的场所。一般电化学体系分为二电极体系和三电极体系,用的较多的是三电极体系。

  1. 三电极体系

  研究电极上电子的运动是电化学反应的基础,为了分别对电池或电解池的阴极,阳极发生的反应进行观察需用到三电极体系。

  加入的电极叫做参比电极,它的作用是为了测量进行这些反应的电极电位的一个基准电极。被测定的电极叫做工作电极,与工作电极相对的电极叫做辅助电极。

  在三电极法中为了能够在测定研究电极和参比电极之间电压同时,又能任意调节研究电极的电位,最理想的设备为具有自动调节功能的恒电位仪。

  2. 恒电位仪的基本概念

  恒电位仪是电化学测试中最重要的仪器,其性能的优良直接影响电化学测试结果的准确度。由它控制电极电位为指定值,以达到恒电位极化的目的。若给以指令信号,则可使电极电位自动跟踪指令信号而变化。

  相应的三个电极为工作电极、参比电极和辅助电极。

  1工作电极

  又称研究电极,是指所研究的反应在该电极上发生。一般来讲,对工作电极的基本要是:

  (1)所研究的电化学反应不会因电极自身所发生的反应而受到影响,并且能够在较大的电位区域中进行测定;

  (2)电极必须不与溶剂或电解液组分发生反应;

  (3)电极面积不宜太大,电极表面最好应是均一平滑的,且能够通过简单的方法进行表面净化等等。

  工作电极的选择:

  通常根据研究的性质来预先确定电极材料,但最普通的“惰性”固体电极材料是玻碳(铂、金、银、铅和导电玻璃)等。

  采用固体电极时,为了保证实验的重现性,必须注意建立合适的电极预处理步骤,以保证氧化还原、表面形貌和不存在吸附杂质的可重现状态。

  在液体电极中,汞和汞齐是最常用的工作电极,它们都是液体,都有可重现的均相表面,制备和保持清洁都较容易,同时电极上有高的氢析出超电势,被广泛用于电化学分析。

  2辅助电极

  又称对电极,辅助电极和工作电极组成回路,使工作电极上电流畅通,以保证所研究的反应在工作电极上发生,但必须无任何方式限制电池观测的响应。由于工作电极发生氧化或还原反应时,辅助电极上可以安排为气体的析出反应或工作电极反应的逆反应,以使电解液组分不变,即辅助电极的性能一般不显著影响研究电极上的反应。

  但减少辅助电极上的反应对工作电极干扰的最好办法可能是用烧结玻璃、多孔陶瓷或离子交换膜等来隔离两电极区的溶液。

  3参比电极

  是指一个已知电势的接近于理想不极化的电极。参比电极上基本没有电流通过,用于测定研究电极(相对于参比电极)的电极电势。

  在控制电位实验中,因为参比半电池保持固定的电势,因而加到电化学池上的电势的任何变化值直接表现在工作电极/电解质溶液的界面上。实际上,参比电极起着既提供热力学参比,又将工作电极作为研究体系隔离的双重作用。

  参比电极的种类:不同研究体系可选择不同的参比电极。水溶液体系中常见的参比电极有:饱和甘汞电极(SCE)、Ag/AgCl电极、标准氢电极(SHE或NHE)等。

  许多有机电化学测量是在非水溶剂中进行的,尽管水溶液参比电极也可以使用,但不可避免地会给体系带入水分,影响研究效果,因此,建议最好使用非水参比体系。常用的非水参比体系为Ag/Ag+(乙腈)。 工业上常应用简易参比电极,或用辅助电极兼做参比电极 。

  二、三电极的优点

  1. 可以同时测量极化电流和极化电位;

  2. 三电极两回路具有足够的测量精度。

  测量与被测体系组成或浓度不同时用盐桥。

  作用

  ①消除或减小液接电位;

  ②消除测量体系与被测体系的污染。

  要求(盐桥制备的注意事项)

  ①内阻小,合理选择桥内电解质溶液的浓度;

  ②盐桥内电解液阴阳离子当量电导尽可能相近,扩散系数相当(常用:

  KCl、NH4NO3),以消除液接电位;

  ③盐桥内溶液不能和测量、被测量体系发生相互作用;

  ④固定盐桥防止液体流动

  采用4%的琼脂溶液固定。

  四、化学测试简述

  电化学测定方法是将化学物质的变化归结为电化学反应,也就是以体系中的电位、电流或者电量作为体系中发生化学反应的量度进行测定的方法。包括电流-电位曲线的测定;电极化学反应的电位分析,电极化学反应的电量分析;对被测对象进行微量测定的极谱分析;交流阻抗测试等。

  1.常用的电化学测试方法技术

  电流分析法(也称为计时安培法)、差分脉冲安培法(DPA)、差分脉冲伏安法(DPV)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、常规脉冲伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)等。

  2.电化学测试方法的优点

  1) 简单易行。可将一般难以测定的化学参数直接变换成容易测定的电参数加以测定。

  2) 灵敏度高。因为电化学反应是按法拉第定律进行的,所以,即使是微量的物质变化也可以通过容易测定到的电流或电量来进行测定。

  3) 实时性好。利用高精度的特点,可以检测出微反应量,并对其进行定量。

  五、电化学工作站的基本原理及应用

  1.稳态测试:恒电流法及恒电势法

  所谓的稳态,即电化学参量(电极电势,电流密度,电极界面状态等)变化甚微或基本不变的状态。最常用的稳态测试方法,当然就是恒电流法及恒电势法,故名思意,就是给电化学体系一个恒定不变的电流或者电极电势的条件。

  通常我们可以利用恒电位仪或者电化学工作站来实现这种条件。通过在电化学工作站简单地设置电流或电势以及时间这几个参数,就可以有效地使用这两种方法啦。该方法用的比较多的地方主要有:活性材料的电化学沉积以及金属稳态极化曲线的测定等等。

  2.暂态测试:控制电流阶跃及控制电势阶跃法

  所谓的暂态,当然是相对于稳态而言的。在一个稳态向另一个稳态的转变过程中,任意一个电极还未达到稳态时,都处于暂态过程,如双电层充电过程,电化学反应过程以及扩散传质过程等。

  最常见的方法要数控制电流阶跃法以及控制电势阶跃法这两种。控制电流阶跃法,也叫计时电位法,即在某一时间点,电流发生突变,而在其他时间段,电流保持相应的恒定状态。

  同理,控制电势阶跃法也就是计时电流法,即在某一时间点,电势发生突变,而在其他时间段,电势保持相应的恒定状态。

  利用这种暂态的控制方法,一般可以探究一些电化学变化过程的性质,如能源存储设备充电过程的快慢,界面的吸附或扩散作用的判断等。计时电流法还可以用以探究电致变色材料变色性能的优劣。

  3.伏安法:线性伏安法,循环伏安法

  伏安法应该算是电化学测试中最为常用的方法,因为电流、电压均保持动态的过程,才是最常见的电化学反应过程。一般而言,伏安法主要有线性伏安法以及循环伏安法,两者的区别在于,线性伏安法“有去无回”,而循环伏安法“从哪里出发就回哪去”。线性伏安法即在一定的电压变化速率下,观察电流相应的响应状态。同理,循环伏安法也是一样,只不过电压的变化是循环的,从起点到终点再回到起点。

  线性伏安法使用的领域较广,主要包括太阳能电池光电性能的测试,燃料电池等氧还原曲线的测试以及电催化中催化曲线的测试等。而循环伏安法,主要用以探究超级电容器的储能大小及电容行为、材料的氧化还原特性等等。

  4.交流阻抗法

  交流阻抗法的主要实现方法是,控制电化学系统的电流在小幅度的条件下随时间变化,同时测量电势随时间的变化获取阻抗或导纳的性能,进而进行电化学系统的反应机理分析及计算系统的相关参数等。交流阻抗谱可以分为电化学阻抗谱(EIS)和交流伏安法。EIS探究的是某一极化状态下,不同频率下的电化学阻抗性能;而交流伏安法是在某一特定频率下,研究交流电流的振幅和相位随时间的变化。

  这里我们重点介绍一下EIS。由于采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰,电极上交替出现阳极和阴极过程,二者作用相反,因此,即使扰动信号长时间作用于电极,也不会导致极化现象的积累性发展和电极表面状态的积累性变化。因此EIS是一种“准稳态方法”。通过EIS,我们一般可以分析出一些表面吸附作用以及离子扩散作用的贡献分配,电化学系统的阻抗大小、频谱特性以及电荷电子传输的能力强弱等等。

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