电化学界面

电化学界面(1)

字体: 小中大| 打印发表于: 2007-7-17 17:04 作者: 热力学来源: 小蚂蚁化学门户网站

传统的电化学研究仅限于在（裸电极/ 电解液）界面上，从“青蛙实验”，Faraday电解定律，Tafel经验公式，到Nerst方程，电极过程动力学，乃至建立起界面双电层模型，20世纪70年代之前，如何赋予电极更优良或特定的功能还鲜为人知。而在1975年Miller(米勒)等人报道按人为设计对电极表面进行化学修饰，标志着化学修饰电极的问世之后，单纯的裸电极/电解液界面的电化学概念有了巨大发展。本文将着重介绍化学修饰的基本特征和应用；同时介绍离子选择性电极的基本特征和应用，以及电化学在生物体中的某些应用。

一化学修饰电极

与电化学中其他电极的概念相比，化学修饰电极最突出的特性是，在电极表面接着或涂敷了具有选择性化学基团的一层薄膜(从单分子到几个微米)。它是按人们意图设计的，并赋予了电极某种预定的性质，如化学的，电化学的，光学的、电学的和传输性等。化学修饰电极的表面性质比离子选择性电极要宽广得多，它概括了有意图设计的最高形式：设计相界面、设计在电极表面和电极之间的膜中分配和传输性质。化学修饰电极与离子选择性电极二者的不同点还在于，前者是利用电荷转移来进行实验测定或研究，而后者是测定相间电势。

因此，1989年IUPAC对化学修饰电极的定义是：化学修饰电极是由导体或半导体制作的电极，在电极的表面涂敷了单分子的，多分子的、离子的或聚合物的化学物质薄膜，借Faraday 反应(电荷消耗)而呈现出此修饰薄膜的化学的、电化学的以及/或光学的性质。

近30年来化学修饰电极领域的研究在国际上一直受到很大关注。美、英、法、日、德等国家都出现有代表性的研究组，国内有中科院长春应用化学所大量开展了这方面研究。随后许多高校也开展这方面的工作。这是因为化学修饰电极代表了电极/电解液界面的一种新概念。以聚合物膜修饰电极为例，它的界面要比传统溶液电化学情况复杂得多，它包括了膜/电极、电极/溶液、膜/溶液三个界面，其电荷传输机理也主要包括下列几个过程：

①电极与聚合物膜内电活性氧化还原物质间的电子转移反应(即电极反应)；

②膜内电荷与物质的移动；

③膜内固定的电活性物质与溶液本体相中的氧化还原活性物质间的电子交换反应等。

其过程可由图1所示

图1 聚合物修饰电极上的电荷(电子)转移过程

图1中Ox(膜)与Red(膜)分别为聚合物修饰电极中固定的电活性氧化还原电对的氧化体和还原体，P和Q分别为从溶液本体相向膜中扩散的氧化还原活性物质的氧化体和还原体；

Ox(膜)+e- Red(膜) ；Red(膜)+P Ox(膜)+Q

在对各个分过程的电子和物质转移过程进行分别研究时，曾经十分注意在溶液中的基质与聚合物膜中电活性的氧化还原之间的电子交换反应，认为电子交换过程与溶液本体中的基质向膜/溶液界的扩散一起，有可能是整个过程的速控步骤；不久，人们发现电荷在电极/膜和膜/溶液界面之间的扩散性传播也可能是速控步骤，目前普遍认为上述的电子交换反应动力学，基质扩散和电荷传输可能同时控制整个电极反应的电流。

从对聚合物型的化学修饰电极电荷传输机理的简要分析，可以看出其复杂性；然而对制备化学修饰电极来说，采用电化学聚合等方法是常用的，同时它可以通过吸附近和共价键合的形式来制备。吸附型化学修饰电极包括可逆吸附型、静电吸附型。LB膜吸附型和涂层型四种方法。用吸附方法可以制备单分子层，也可以制备多分子层修饰电极。共价键合型常用的基体电极，如金属(Pt,Au,Si,Ge等)，金属氧化物(SnO2、TiO2、RuO2、PbO2等)和石墨表面有多种含氧基团存在的电极，其修饰物接着较牢固，但密度不高。若能不限于单层，或利用一些聚合物末端的基团接着在上述电极基体上，则有希望同时具有共价键合型和聚合物型修饰电极的电极。

化学修饰电极已在以下一些领域取得显著进展和应用：电极表面微结构与动力学的理论研究；化学修饰电极的电催化研究；化学修饰电极在能量转换，存储和显示方面的研究；化学修饰电极在分析化学中的应用；化学修饰电极在生物电化学和传感器中的应用；表面修饰在光伏电极的光电催化和防腐中的作用；化学修饰电极在立体有机合成中的研究；分子电子器件的研究。

下面我们仅就表面修饰后的半导体电极为例说明其应用。半导体光电极遇到严重的问题是光腐蚀，也就是使形成光伏电池的寿命问题成为一个极大的障碍；例如n型硅电极，当光照时在水溶液中会发生强烈的氧化反应(h+为空穴)：Si+2H2O+4h+SiO2+4H+，该过程与存在于溶液中物质的反应发生强烈的竞争，很快在Si电极的表面上生长一层绝缘性的SiO2，阻碍了电流的导通。若用二茂铁(FC)的聚合物键合于硅电极表面，由于二茂铁是一个快速的，一电子外壳层的氧化还原剂，它能很快地氧化，生成的氧化态Fc+迅速地将溶液中的Fe(CN) 64-氧化，而不致于使Si电极形成SiO2，保护了光阳极，改善了半导体光电转换器的寿命。这里需要说明的是，如果不用Fc分子修饰电极表面，Fe(CN) 64-离子在溶液中因裸Si电极上生成SiO2而不能被氧化。

化学修饰电极在其它领域中，特别是在分析化学的应用，包括生物分析化学中的应用前途是广阔的，在分子电子器件方面已成功利用双层膜化学修饰电极制备了电化学晶体管；在电催化方面最成功的已广泛应用氯碱工业的形稳阳极(DSA)，在钛基体上涂覆了TiO2和RuO2。

综上所述，可以看出，进行化学修饰电极的研究、从合成、表征和效应，广泛地涉及了化学、物理学、生物学、电子学、半导体和材料科学等多种学科、方法和手段。制成的修饰电极所发挥的作用又广泛地伸展到许多应用方面，如能源、生命、环境和信息科学等重大尖端领域中，预示着化学修饰电极在理论研究和实际应用方面都将是多学科交叉的焦点。

二离子选择性电极

最早的离子选择性电极就是前已述及的测量溶液pH的玻璃电极。始于1906年。随着膜材料的开发研究取得巨大进展，离子选择性电极的膜材料已由玻璃扩展到难溶盐，有机试剂、离子交换剂、络合物、硫属化合物，功能高分子等多种，特别是氟化镧单晶制成氟离子电极问世后，发展十分迅速。这种离子选择性电极的基本形式如图2所示。电极管一般用玻璃