20161205第6章 电化学测试技术

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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。
4. 两类溶液体系
1.被测体系
研究电极所处的溶液体系。 2.测量体系 参比电极所处的溶液体系。
6.1.2.1 研究电极
玻碳、铂、金、银、铅
氧化物 固态 形态 液态 气态 金属 单质 Hg 平板电极 多孔电极 滴汞电极
表面状态复杂 均匀性低 清洁度低
谱仪、pH计、电导率仪、自动电位滴定仪、电池充放电 测试系统。 控制电位法E: 测量I(计算 Z ( E )
U I)
E I
控制电流法I: 测量E(计算
Z (I )
)
)
交流阻抗法Z: 测量 Z ( E或I或f )
可逆电池电动势的测量装置 标准电池
待测电池
工作电源
检流计
电位计
UJ-25型电位差计
③ 良好的稳定性(化学稳定性好、温度系数小); ④ 具有良好的恢复特性; ⑤ 恒电位测量中,要求低内阻,从而实现响应速度快。
6.1.2.3 参比电极
2. 常见的参比电极
①甘汞电极
Hg|Hg2Cl2 |Cl-
Hg2Cl2 2e 2Hg 2Cl
0
RT ln a Cl F
由于Hg+→Hg2+ (亚汞不稳定,高温时易变成Hg2+,受温度影响大。<70℃,
第6章 电化学测试技术
• 6.1 三电极体系 • 6.2电化学测试仪器 • 6.3电极动力学过程的研究方法 • 6.4常见电化学测量技术 • 6.5电化学研究方法的发展趋势
1
6.1 三电极体系
6.1.1 三电极两回路
极化电源 A 对WE通 电、极 化,但 必须是 个闭合 的 回 路,才 有电流 流过, 故需要 CE A 电位测量装置 V
②辅助电极形状应与研究电极相同,以实现均匀电场作用。
6.1.2.3 参比电极
作用:比较或确定工作电极的电位。
要求:本身电位的稳定。 1. 参比电极应具备的条件 ① 可逆电极(浓度不变,电位不变);
这是热力学说法,符合Nernst方程。
② 参比电极是不极化电极(i0→∞);
实际上 i0 不可能 ∞ ,所以需要控制流经 RE 的电流非常小,即: I 测 <10-7 A/cm2。
40
电流-时间曲线
41
电流-时间曲线
42
电势阶跃后电流随时间的变化曲线
43
电流-时间曲线测量限制
• 恒电势仪的限制。实际的最大电流取决于恒电势仪的
电流和电压输出能力。
• 记录设备的限制。电流起始部分,记录设备可能过载 ,过载恢复后,才能准确记录。 • 双层充电的影响。双层充电是实现电势改变所必须的, 经过5τc时间后可基本完成充电,实现新电势的完全建
另外,[Cl-]要饱和,防止 aCl 发生变化)。
② 汞-硫酸亚汞电极
Hg|Hg2SO4|SO42-
Hg2SO4 2e 2Hg SO42
0
RT ln 2 2 F a SO4
亚汞不稳定,高温时易变成Hg2+,受温度影响大。防止Hg2SO4水解,应选 高浓度的SO42-,<40℃。
固体表 面能量 高、受 缚 性 强、吸 附性强
氢电极、氧电极、卤素电极
6.1.2.1研究电极
10
J 0 nFkc
6.1.2.2 辅助电极
辅助电极的作用 象形对电极,实现WE导电并使WE电力线分布均匀。 辅助电极的要求 ①应使辅助电极面积增大;
为使参比电极等势面,应使辅助电极面积增大,以保证满足研究电极表面电位 分布均匀,如是平板电极:S辅 5S研;
原理图
2. 两回路
(1)极化回路(串联电路)
由极化电源、WE、CE、 可变电阻以及电流表等 组成。
功能
目的
调节或控制流 经WE的电流
实现极化电流 的变化与测量
(2)测量回路(并联电路)
由控制与测量电位的仪 器、WE、RE、盐桥等 组成。
实现控制或测 量极化的变化
测量WE通电时 的变化情况
3. 三电极的优点
6.1.2.5电解池/容器
形状:例如天津第一电镀厂,要镀12 t的轴(直径1.2 m,长: 12 m),怎么做呢?
就在地下挖个大坑,把轴吊在坑里并转动,转动的目的是减小浓差极 化,四周为辅助电极,如下图所示:
⑥ 恒电位测量中,电解池的内阻要小。
I J参 nFkc 0 0
6.1.3 精确测量的注意事项
6.1.3 精确测量的注意事项
6.1.3.2 测量或控制电位仪器的要求
② 合适的量程及精度;
③ 快的响应速度; ④ 高的灵敏度。 测量仪器除以上要求外,还有形状、面积、反应产物、 稳定性、位置等要求。
6.1.3 精确测量的注意事项
6.1.3.3 减小或消除液体接界电位
① 被测体系与测量体系具有相同的阴离子; ② 合理选择和使用盐桥。
6.1.3 精确测量的注意事项
6.1.3.4 减小或消除欧姆压降对电压测量的影响
电流通过电极时,从鲁金毛细管管口至研究电极表面上存在溶液的电阻—溶液电阻 RL。 通电时所产生的压降叫欧姆压降,欧姆极化,
减小或消除欧姆压降的方法:
iRL

① 鲁金毛细管管口尽可能靠近研究电极表面; a. 太近,产生屏蔽作用; b. 太远,欧姆压降大; 鲁金毛细管(Φ=0.1~0.3 mm)管口到研究电极表面的距离约等于管口直径,即l =Φ。 欧姆压降的校正除依赖于Luggin毛细管的外径,还依赖于电极的形状:球形电极的 欧姆压降最小,圆柱形电极次之,平板电极的最大。 ② 恒电位仪溶液电阻的补偿(减小); ③ 断电流电位瞬时测量; ④ 桥式电路补偿。
盐桥
被测体系 辅助CE 研 WE
实测图
测量体系 参RE
为了记 录通电 后WE电 位 变 化,需 RE
研 WE
辅助CE
1. 三电极
研究电极 过程
研究电极
WE
传导电流 三电极
辅助电极
CE
确定研究电 极的电位
参比电极
RE
4
5
2.两回路
电解池
R大
V RE 测量回路 WE E
CE 极化回路
经典恒流法测量电路
49
(3)电势—时间响应曲线
50
51
(4)小结
52
(5)不可逆电极过程的恒电流极化
53
电势—时间曲线
54
测量动力学参数
55
6.3.1.3测量电化学反应动力学参数的两类方法比较
Cd|Cd(OH)2|OH-
Cd|CdSO4|SO42-
3. 参比电极的选择
测量体系(参)与被测体系(研)具备相同的阴离子(浓度相近),
则不要盐桥,如没有相同的阴离子,则需要盐桥,常用的是以下三种阴离
子电极(酸、盐、碱) SO42-:Hg|Hg2SO4|SO42-
Cl-:Hg|Hg2Cl2|Cl- 或 Ag|AgCl|ClOH-:Hg|HgO|OH-
① 内阻足够大;
A B
一般
I测
I测 107 A 就满足测量精度要求
E 107 A RAB R池
E I测 RAB

研 参
,则 RAB R 池
RAB 107 RAB 106 ~ 107
考虑R池也有一定的值,故 若
RAB R池,则测量精度如要满足1 mV,需要 RAB 1000R池
2. 常见的参比电极 ③ 汞-氧化汞电极;
Hg|HgO|OH-
HgO H2O 2e Hg 2OH
0
RT ln a OH F
Hg2+,比较稳定,但具有较强的氧化性,应防止还原性物质对Hg2+的影响。
④ 银-氯化银电极;
Ag|AgCl|Cl-
AgCl e Ag Cl
电化学稳态不是电化学平衡态。
暂态:到达稳态之前的状态。
暂态测量方法有:电势阶跃法、电流阶跃法、极谱法
6.3.1.1.稳态极化曲线的测量
• 控制电流法 • 控制电位法 • 三电极体系测量
• 单电极的极化曲线
33
控制电流法
• 极化曲线中存在电流平台或电流极大值时
35
控制电位法• 极化曲线中存在电势极大值或电势平台
Fra Baidu bibliotek
④ 气体电极:要注意气体的入口和出口
例如:燃料电池的氢电极、氧电极。
6.1.2.5电解池/容器 ⑤ 辅助电极的位置、大小及形状;
位置:与WE平行放置;
大小:SCE>5SWE。
WE
CE
消除边缘效应,实现 电力线的均匀分布
WE
CE WE 等势面
CE
边缘效应
- -
研 参 研

- I R
6.1.3 精确测量的注意事项
6.1.3.5 消除或减小辅助电极的影响
形状、面积、反应产物、稳定性、位置等; 测量仪器除以上要求外,还有灵敏度、量程、精度的要 求。
http://www.zzuli.edu.cn
6.2 电化学测试仪器
电化学分析测试系统是进行电化学分析、测试、研
究的基本工具,主要有电压表、电流表、恒电位仪、极
36
稳态极化曲线的测量
37
6.3.1.2.暂态测量方法
• 暂态法:利用短暂电脉冲或交流电(如电势阶跃法、电流
阶跃法、循环伏安法、交流阻抗谱等)对电极的电势和电流 分别进行控制和测量,并对其相互关系进行分析。
:
• 暂态过程:从电极极化开始到各个子过程(电化学反应过
程、双电层充电过程、传质过程和分离导电过程)做出响应 ,并进入稳态过程所经历的不稳定的、变化的“过渡阶段” 。称为
6.1.2.4 盐桥
测量与被测体系组成或浓度不同时用盐桥。
1. 盐桥的作用 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。 2. 盐桥的要求(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。
暂态测量方法的分类
按控制方式分: 控制电流法 控制电势法 按极化波形方式分: 阶跃法 方波法
线性扫描法
交流阻抗法 按极化或控制幅度分: 大幅度暂态测量(研究电极过程)
10mV
小幅度暂态测量(用于测定参数)
10mV
1.电势阶跃法
• 常见的控制电势法有电势阶跃法、电势扫描法、脉冲伏安法 、交流伏安法。 • 控制电势法测量电流随时间或电势的变化。
立。
• 对流的限制。当时间较长时,密度梯度的建立,以及杂散振动
的存在将使扩散层受到对流的瓦解破坏,结果电流比计算值大。
44
2 电流阶跃法(计时电势法)
45
(1)浓度分布曲线
46
可溶产物浓度极化的发展(产物初始浓度为零)
47
浓度分布曲线比较
48
(2)过渡时间
• 恒电流极化时,从通电瞬间到反应物表面浓 度下降至零所用的时间称为过渡时间。
SDC数字电位差计
溶液电导率的测定-电导率仪
电化学工作站
实验内容: 循环伏安 电化学阻抗 极化曲线 恒流恒压
阶跃
……
6.3电极动力学过程的研究方法
• 6.3.1暂态与稳态
• 电极过程的研究方法有稳态法和暂态法两类。
稳态:在指定的时间范围内,电化学系统的参量(如电极电位、电流、 反应物及产物的浓度分布、电极表面状态等)变化很小,基本上不随 时间变化。 稳态极化曲线的测定:恒电流法、恒电势法
http://www.zzuli.edu.cn
6.1.2.5 .电解池/容器
是装电解质溶液、WE、CE所用,是一种容器,要求稳
定性好,不溶出杂质,不与电极物质、电解液发生反应,大 部分无机电解质是玻璃的,强碱电解液例外,具体要求如下: ① 化学稳定性高; ② 体积适中
太小:研究体系浓度变化;太大:浪费
0
RT ln a Cl F
络合离子Ag2Cl2 不稳定 Ag+→Ag2+ (光敏性强)
Cl-、Br-和I-中,Cl-溶解度最大,所以:
(控制Cl-纯度)的影响。
AgCl Br I AgBrI Cl

6.1.2.3 参比电极
2. 常见的参比电极 ⑤ 工业用参比电极:Cd、Pt、Au、C、Li;
浓度变化:
J 0 nFkc
,可见c与J0有关→η。
6.1.2.5电解池/容器
③ 鲁金Luggin毛细管距离
太近:电位测不准;太远:较大的欧姆压降; 距离(管直径) l d 0.1 ~ 0.3 mm ,这是半定性半定量关系; 鲁金:是苏联电化学创始人“A.H.弗鲁姆金”院士的人名,为了纪念他 发明的装置,他是经典电化学的奠基人。
6.1.3.1 参比电极电位必须稳定 温度系数小
I 参 0 , I参 107 A / cm2
例:要测定i0很小的热力学体系的平衡电位,在测量电路溶 液处理方面各有何要求?为什么?
http://www.zzuli.edu.cn
J 0 nFkc
6.1.3精确测量的注意事项
6.1.3.2 测量或控制电位仪器的要求
相关文档
最新文档