循环伏安法的原理(PPT-42)

浓差极化： 由于电解过程中电极表面离子浓度与溶液本体浓度不同而使电极电位 偏离平衡电位的现象。
电化学极化： 因电化学反应本身的迟缓而造成电极电位偏离可逆平衡电位的现象 称为电化学极化。
注意：由于电解过程中电极表面的浓差极化是不可避免的现象，外加电压要严格控 制工作电极上的电位大小就要求另一支电极为稳定电位的参比电极，实际上由于电 解池的电流很大，一般不易找到这种参比电极，故只能再加一支辅助电极组成三电 极系统来进行伏安分析。
A- 电极面积 D - 扩散系数 c- 浓度 n- 交换电子数 v - 扫描速率 k - Randles-Sevcik 常数(2.69*105 As/V m mol)
循环伏安曲线中提供的信息
从循环伏安图上读取以下数据
ipc ipa pc pa 0 ' (pc pa )
2 计算
ipa 1 ipc
59 mV n
(at 25°C)
(3)
对于不可逆体系， Δ Ep > 59/n(mV), ipa / ipc < 1。 ΔEp越大， 阴阳峰电流比值越小，则该电极体系越不可逆。对于不可逆电 极电程来说，反向电压扫描时不出现阳极波。
峰电位的确定
• 一般情况下，伏安图谱上的峰比较宽，因而难以确定峰电位。所以，有时以 0.5 ip的电位（称为半峰电位EP/2）来对电极反应进行表征更方便。理论上，
U外 ∝ i
U外- Ud= iR
U外代表外加电压、R代表电路
(Cd2+)
阻抗、 Ud代表分解电压
循环伏安法原理
在一个典型的循环伏安实验中，工作电极一般为浸在溶液中的固定电极。 为了尽可能降低欧姆电阻，最好采用三电极系统。在三电极系统中，电 流通过工作电极和对电极。工作电极电位是以一个分开的参比电极（如 饱和甘汞电极，SCE）为基准的相对电位。在循环伏安测试实验中，工 作电极的电位以10 mV/s 到 200 mV/s 的扫描速度随时间线性变化 (Fig.1a)，在此同时记录在不同电位下的电流(Fig.1b)。.
分类：
极谱法
伏安法
滴定伏安法
溶出伏安法 循环伏安法
控制电位极谱法
控制电流极谱法
电流滴定伏安法 永停滴定伏安法 阳极溶出伏安法 阴极溶出伏安法 计时电位溶出伏安法
直流极谱法 方波极谱法 脉冲极谱法 单扫描示波极谱法 交流示波极谱法 计时电流极谱法
2021/4/9
伏安分析法的基本原理：
以待测物质溶液、工作电极、参比电极构成一个电解池， 通过测定电解过程中电压-电流参量的变化来进行定量、 定性分析的电化学分析方法称为伏安法。
Introduction of Cyclic Voltammetry Technolgy
By : Dong Mei Han
主要内容：
• 循环伏安法的原理
• 循环伏安技术的应用 • （1）可逆反应 • （2）峰电位的确定 • （3）峰电流的计算
• 循环伏安测试中的注意事项
1922 年 捷克科学家 海洛夫斯基 J.Heyrovsky
极谱法：使用滴汞电极或其它表面能够周期性 更新的液体电极为工作电极，称为极谱法。
伏安法：使用表面静止的液体或固体电极为工作电极，称 为伏安法。
二、电解池的伏安行为
当外加电压达到镉离子的电解 还原电压时，电解池内会发生 如下的氧化还原反应。
阴极还原反应:
Cd2+ + 2e Cd
阳极氧化反应:
2OH- －2e H2O + 1/2 O2
E E RT ln cO (0, t) nF cR (0, t)
（1）
• 可逆反应的线性扫描图谱的峰电位服从下面方程：
Ep
E1/2
/ 1.109
RT nF
（2）
式中，E1/2为极谱的半波电位，半波电位值很接近标准电极电位E°。 式（2）中的正号（+）适用于阳极反应峰(Epa)，负号适用于阴极峰(Epc)。
Fig.1 循环伏安法原理：(a) 循环电位扫描 (b) 循环伏安谱
Fig.2 电解过程的伏安曲线
电极表面的传质过程
电极表面存在三种传质过程， 分别是：
1） 扩散 2.）电迁移 3） 对流
若电解采用微铂电极为工作电极、 且溶液不充分搅拌时，会促使耗 竭区提前出现。这种现象称极化 现象。
极化现象
Fig.3 典型可逆体系的循环伏安图。
Fig.4典型准可逆体系和不可逆体系的循环伏安图。
Fig.5 线性扫描曲线
反应可逆性的判断
对一个可逆反应，峰电位与扫描速度和浓度无关。
Epa与Epc 之差
也可用来判断电极反应的可逆程度。
Ep Epa Epc
E p E pa E pc
2.3RT nF
创立极谱法，1959年获Nobel奖
1934 年 尤考维奇 Ilkovic， 提出扩散电流理
论，从理论上定量解释了伏安曲线。
20世纪40年代以来 提出了各种特殊的伏安技 术。主要有：交流极谱法（1944年）、方波极 谱法（1952年）、脉冲极谱法（1958年）、卷 积伏安法（1970年）
20世纪40年代以来 主要采用特殊材料制备的 固体电极进行伏安分析。包括微电极、超微阵列 电极、化学修饰电极、纳米电极、金刚石电极、 生物酶电极、旋转圆盘电极等，结合各种伏安技 术进行微量分析、生化物质分析、活体分析。
pc
pa
0.059 n
作图并验证以下公式
ip ~ C
ip ~ v1/2
ip 2.69105 n3/ 2 ACD1/ 2v1/ 2
(iii) Easy to remove diffusion
Hg microelectroladyeerson mercury drop线管）
（聚氨酯）
0.05~ 0.5mm diameter
（活塞）
（金属垫圈））
可逆体系
• 如果电极表面上的电子转移过程的速率很快，电极表面上氧化态和还原态试 样的浓度的比率服从Nernstian方程。在这种条件下，电极反应式为可逆的反 应。：
： 半峰电位与半波电位的关系为
E p/2
E1/2 1.09
RT nF
• Ep 和 Ep/2的差别为
（4）
Ep Ep/2
2.2RT nF
56.5 mV n
（5）
峰电流的计算
可逆反应的线性扫描的峰电流ip可有以下Randles-Sevcik方程给出：
ip kn3/2AD1/ 2cv1/ 2
（6）