CV物理化学实验

循环伏安法研究硫酸体系二氧化锰的

电化学性能

一、实验目的

1. 掌握循环伏安法的基本原理；

2. 了解上述方法的实验操作和极化曲线的含义。

3. 评估二氧化锰作为电池材料和超级电容器材料的特性。

二、实验内容和要求

循环伏安法是以一线性变化电压施加于电解池上，再回过头来扫描至原来的起始电位值，以所得的电流-电压曲线为基础的分析和研究方法。所施加扫描电位与时间的关系为E=Ei-vt。若溶液中存在氧化态O，电极上将发生还原反应：O + ne = R。反向回扫时，电极上生成的还原态R将发生氧化反应：R = O + ne。

峰电流可表示为

I p=2.69×105n3/2D1/2Av1/2c

峰电流与被测物质浓度c、扫描速度v等因素有关。由循环伏安图可确定峰值电流i pa、i pc 和峰电位Epa、Epc值。对于扩散控制的电极过程，i p与扫描速度的1/2次方呈正比，即i p- v1/2为一直线。对于可逆体系，阳极峰电流与阴极峰电流之比等于1：

i pa/i pc = 1

阳极峰电位与阴极峰电位差：

ΔE p=E pa-E pc=0.058/n(V)

式量电位

E o=（E pa-E pc）/2

由此可判断电极过程的可逆性和电流性质。

三、实验主要仪器设备和材料

1．仪器

ZHDY智能恒电位仪，铂、石墨、钛合金为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。

2. 试剂

硫酸水溶液，硫酸和硫酸锰组成的水溶液，试剂均为分析纯，使用二次重蒸水。

四、实验方法、步骤及结果测试

1.工作电极的预处理

工作电极分别在1：1乙醇、1：1HNO3和蒸馏水中超声波清洗（每次约5分钟）。取出，用蒸馏水冲洗后，在电解池中放入0.5 mol∙L-1 H2SO4水溶液，插入工作电极、铂丝辅助电极和饱和甘汞电极。接通三电极系统，在±1.0V电位范围内以100mV∙s-1的扫描速率循环扫描进行极化处理，至CV曲线稳定为止。

2. 硫酸水溶液的循环伏安图

在电解池中放入硫酸水溶液，插入工作电极、铂丝辅助电极和饱和甘汞电极。以20 mV∙s-1的扫描速率，从-0.20～+1.20V扫描，记录循环伏安图。以不同扫描速率10、20、50、75、100、125、150、175和200 mV∙s-1，分别记录从-0.20～+1.20V扫描的循环伏安图。

3.硫酸锰水溶液的循环伏安图

以20 mV∙s-1的扫描速率，从-0.20～+1.20V扫描，分别记录 1.00×10-5、5.00×10-5、1.00×10-4、5.0×10-4、1.00×10-3 mol∙L-1硫酸锰溶液。

4. 操作步骤及实验参数选择

打开电脑“ZHDY智能恒电位仪”程序，点击“设置”菜单中“实验设置”，选择“循环伏安法”，“初始电位”设为-0.3伏，第一转折电位为1.3伏，第二转折电位为-0.3伏，静止时间为1秒，扫描速率为0.01v/s,循环次数为1次，采样间隔为1mv，灵敏度为100uA/v，点击“确定”。点击“联机”菜单，点“确定”，再点击“开始”菜单，开始记录循环伏安图，结束后，点“停止”。点击“图形处理”，进行“波形对比”。

五.数据处理

1.由循环伏安图测得不同扫描速度下的i pa、i pc和E pa、E pc值。

2.分别以i pa和i pc对v1/2作图，说明扫描速率对I p的影响和电极电流的性质。

3.分别以i pa和i pc对浓度作图，说明浓度与峰电流的关系。

4.求得标准式量电位。

附录：循环伏安法Cyclic Voltammetry(CV)

在循环伏安法中，极化电位由“初始电位”开始，以特定的“扫描速度”随时间向“第一转折电位”连续线性扫描；到达“第一转折电位”之后，反转扫描方向向“第二转折电位” 连续扫描；到达“第二转折电位”后再次反转扫描方向，以此类推，直到完成用户设定的扫描段数（扫描方向反转一次记为一段）并最终使极化电位扫描变化至“终止电位”，仪器同时记录极化电位扫描过程中电流与电位的关系曲线。

极化电位波形如下图所示。

循环伏安法的参数设置对话框如下图所示。

实验参数设置范围及说明：

参数 单位 范围 参数描述 初始电位 伏 -10 ~ 10 扫描起始时的电极电位

第一转折电位 伏 -10 ~ 10 第一转折电位 第二转折电位 伏 -10 ~ 10 第二转折电位 终止电位 伏 -10 ~ 10 扫描结束时的电极电位 静止时间 秒 1~1000

电位扫描前静止时间 扫描速度 伏/秒 10-6~103

电位变化的速率 扫描段数1 无 ≥2 电位扫描段数 灵敏度2

安/伏

10-10~0.1

电流电压转换灵敏度

1.电位扫描方向的切换形式因扫描段数不同而有所不同，有以下三种类型。 （1）扫描段数=2时，切换形式为：初始电位→第一转折电位→终止电位；

（2）扫描段数=3时，切换形式为：初始电位→第一转折电位→第二转折电位→终止电

第一转折电位

初始电位 时间（s ）

静止 扫描速度

电位（V ）

循环伏安法

终止电位

第二转折电位

段数1 段数2 段数3 段数4 段数5

位；

（3）扫描段数≥4时，切换形式为：初始电位→第一转折电位→第二转折电位→第一转折电位→…→第一转折电位或第二转折电位→终止电位。

2.仪器可测量的最大电流为当前电流灵敏度设置值的10倍。例如当电流灵敏度设置为1mA时，仪器可记录的最大电流值为±10mA，超出此范围将导致电流量程溢出，严重时会诱发警告信息弹出并提前终止实验，从而无法得到正常的实验结果，此时，需将电流量程更改为10mA；反之，发现测得电流远小于±1mA，需将电流量程切换为100μA。