第五章 伏安分析法 Voltammetry

第五章伏安分析法

(Voltammetry)

伏安法和极谱法是一种特殊的电解方法，是以小面积、易极化的电极作工作电极、以大面积、不易极化的电极为参比电极组成电解池，电解被分析物质的稀溶液，由所测得的电流－电压特性曲线来进行定性和定量分析的方法。

当以滴汞作工作电极时的伏安法，称为极谱法（Polarography），它是伏安法的特例。1922年由Jaroslav Heyrovsky创立。因其在这一研究中的杰出贡献，1959年Heyrovsky 被授予诺贝尔化学奖。

从六十年代末，随着电子技术的发展以及固体电极、修饰电极的广泛使用以及电分析化学在生命科学、材料科学、医药、环境分析中的广泛应用，使伏安分析法得到了长足的发展，本节重点介绍伏安分析目前最常用的三种方法即循环伏安法、极谱分析法和电流型生物传感器。

在含义上，伏安法和极谱法是相同的，而两者的不同在于工作电极：

——极谱法的工作电极是表面能周期性更新的液态电极，即滴汞电极；

——伏安法的工作电极是电解过程中表面不能更新的固定液态或固态电极，如悬汞、汞膜、玻璃碳、铂电极等；

（有的书把两者统称为极谱法）

伏安和极谱分析法安其电解过程可以分为两大类：

控制电位极谱法——如直流极谱法，单扫描极谱法，脉冲极谱法，方波极谱法，催化极谱法，溶出伏安法，循环伏安法等。

控制电流极谱法——如计时极谱法，交流示波极谱法等

（本课程介绍控制电位极谱法，且主要是直流极谱法）

伏安法-电位分析-电解分析区别：

（伏安分析法是在一定的电位下对体系电流的测量；而电位分析法是在零电流条件下对体系电位的测量。）

一、电解池的伏安行为

浓差极化

二、极谱分析法

（一）极谱分析的原理与过程

1、极谱分析的原理与过程

极谱分析：在特殊条件下进行的电解分析。

特殊性：使用了一支极化电极和另一支去极化电极作为工作电极；在溶液静止的情况下进行的非完全的电解过程。

极化电极与去极化电极

极谱波（电流-滴汞电极电位曲线）

2、极限扩散电流i d

3、极谱曲线形成条件

4、滴汞电极的特点

（二）扩散电流方程

1、尤考维奇方程

2、影响扩散电流测定的主要因素

（三）干扰电流与抑制

1、残余电流

2、迁移电流

3、极谱极大

4、氧波、氢波、前波

（四）极谱定性方法

（五）极谱定量分析方法

极谱滴定法（伏安滴定法）

（六）经典直流极谱法的应用

经典直流极谱的缺点

（七）新的极谱分析方法

经典极谱法具有较大的局限性。主要表现在电容电流在检测过程中的不断变化，电位施加较慢以及极谱电流检测的速度较慢。为了克服这些局限性，一方面是改进和发展极谱仪器，主要表现在改进记录极谱电流的方法，如微分极谱法；另一方面改变施加极化电位的方法，如方波极谱，脉冲极谱等。阳极溶出伏安法及催化波极谱方法可以提高样品的有效利用率及提高检测灵敏度。

二、循环伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)

（一）概述

一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。

对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。

本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。

1、基本原理

如以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。

因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，

其电流—电压曲线称为循环伏安图。

循环伏安法中电压扫描速度可从每秒种数毫伏到1伏。工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。

2、可逆体系下的循环伏安扫描

Fe(CN)

63-与Fe(CN)

6

2-是典型可逆的氧化还原体系。

图1.15是Fe(CN)

6

3-在金电极上典型的循环伏安扫描曲线。电位激励信号为三角波

信号。E

1与E

2

分别为0.8, -1.2 V vs SCE，电位辐值为1.0V。E c

p

, E a

p

, 分别为阴极峰

值电位与阳极峰值电位。I c

p , I a

p

分别为阴极峰值电流与阳极峰值电流。确定峰值电流的

方法可以采用切线法。

正扫时（向左的扫描）为阴极扫描：

Fe(CN)

63- + e- = Fe(CN)

6

2-（1）

反扫时（向右的扫描）为阳极扫描：

Fe(CN)

62- - e- = Fe(CN)

6

3-（2）

在该电极体系中，式（1）与式（2）还原与氧化过程中的电荷转移的速率很快，电极过程可逆。这可以从伏安图中还原峰值电位与氧化峰值电位之间的距离得到判断。

一般地，阳极扫描峰值电位E a

p 与阴极扫描峰值电位E c

p

的差值（E

p

）可以用来检

测电极反应是否是Nernst反应。当一个电极反应的E

p

接近2.3 RT/nF (或59/n mV，25°C)时，我们可以判断该反应为Nernst反应，即是一个可逆反应。

从图1.15左图可见，E

p

相差接近于59 mV，还原电流与氧化电流增加较快。这是因

为，在阴极过程中，Fe(CN)

63-获得电子还原成Fe(CN)

6

2-的速度较快，电极表面Fe(CN)

6

3-

离子浓度迅速降低，反应电流迅速增加。由于反应电流增加得较快导致电极表面Nernst 层恢复Nernst平衡的倾向增加，在阴极扫描中出现峰值电流及峰值电位。当反向扫描

时，在电极表面产物Fe(CN)

62-离子的浓度接近于反应离子Fe(CN)

6

3-的初始浓度。换句话

说，反扫描所获得伏安扫描曲线相当于在与Fe(CN)

63-初始浓度相同的Fe(CN)

6

2-离子的阳

极伏安扫描。于是阴极波与阳极波基本上是对称的。伏安扫描曲线可以作半微分处理，得到伏安曲线灵敏度有较大的提高（图1.15右图）。

所谓电极反应可逆体系是由氧化还原体系，支持电解质与电极体系构成。同一氧化还原体系，不同的电极，不同的支持电解质，得到的伏安响应不一样。因此，寻找合适