电荷转移步骤动力学与电化学极化.ppt

第五章 电荷转移步骤动力学 与电化学极化 5.1 电化学极化概述 5.2 电化学步骤的基本动力学方程 5.3 电化学步骤的基本动力学参数 5.4 稳态电化学极化动力学方程 5.5 电化学极化与浓差极化的比较 5.1 电化学极化概述 液相传质过程发生于“电极/溶液”表面附近的液层中， 即扩散层中。 电化学步骤（电荷转移步骤）则发生于“电极/溶液”界 面上。 由于电极过程中，电化学步骤的速度缓慢，而引起电 极电位偏离其平衡电极电位的现象，称为“电化学极化”或“ 活化极化”。产生的过电位为“电化学过电位”。 5.1.1 电化学极化经验公式-Tafel公式 1905年，根据析氢反应的大量研究结果，Tafel首先提 出了电化学极化过电位与极化电流密度之间的关系，即著名 的Tafel公式。 从上式可以看出，不仅与电流密度I有关，还与a、b 有关。而a、b则与电极材料性质、表面结构、电极的真实 表面积、溶液的组成及温度有关。 5.1.2 影响电化学极化的主要因素 （1）电流密度。 （2）电极材料，不同的电极材料a值不同，反应能力完全 不同。需要寻找具有高催化活性的材料。 （3）电极的真实表面积，表面积越大电极的反应能力越大 ，可减小电极的极化。如采用多孔电极。 （4）电极的表面状态，电化学极化非常强烈地依赖于电极 表面的状态。各种活性物质的特性吸附可极大地改变电极 反应的速度，如电镀添加剂、缓蚀剂等。 （5）温度，一般温度升高，过电位降低，反应速度加快。 5.2.1 电极电位对反应活化能的影响 电极电位对于电极反应速度的影响有两种方式： 热力学方式与动力学方式。 （1）热力学方式：当电荷迁移步骤为快步骤时， 在电极反应过程中其平衡状态基本未被破坏。此 时电极电位的变化将改变反应离子表面的浓度（ 根据能斯特方程），从而间接的影响到电极反应 速率。 （2）动力学方式：当电荷迁移步骤为慢步骤时， 电极电位的变化直接改变界面电子得失步骤的活化 能，从而改变电极反应速度。 对于电极反应：O + ne- R 某一电极电位下，其阳极反应（氧化方向进行） 的活化能为W1，阴极反应（还原方向进行）的活 化能为W2。 假设为还原电流，则该电位下每发生1 mol的物质 变化，总伴随有nF的正电荷由溶液转移到电极上 。 当电极电位增加时，则反应产物（终态）的总 势能必然也增大nF 。 改变电极电位对电极反应活化能的影响的示意图 W2 W1 = W2- W1 + nF 这样， W2 W2 = W1- W1 + nF 阴极反应活化 能增值 阳极反应活化 能增值 再变化为， （W2 W2）- （W1- W1）= nF 当电极电位改变时， W1 = W1 - nF，式中为阳极反应传递系数 ； W2 = W2 + nF，式中为阴极反应传递系数 ； 因为，(W2 W2) (W1- W1) = ( + )nF 所以， + = 1 0时：阳极反应的活化能降低，阴极反应的 活化能升高；相应地阳极反应速度增加，阴极反 应速度减小。 相反，0时：阳极反应的活化能升高，阴极 反应的活化能降低；相应地阳极反应速度减小， 阴极反应速度增加。 W1 = W1 - nF， W2 = W2 + nF 注意：传递系数、分别描述了电极电位的 变化对阴极反应和阳极反应活化能的影响程 度。这种方法，只是一种经验的方法，其物 理意义并不清楚。 5.2.2 电极电位对反应速度的影响 对于电极反应： O + ne- R 设所选择的电位零点处（0=0），阳极反应活化 能为W10, 阳极反应活化能为W20, 根据化学动力学理论，假设反应为元反应，此时 ，反应速率为 = kc 根据阿累尼乌斯公式： 于是有： 带入前面两式有： 将电极反应速度用电流密度表示：I = nF 则有： 式中ia0、ic0分别为电极电位零点时（即 = 0=0 ） ，相应于单向绝对反应速率的电流密度，总是具有 正值！ 当电极电位变为 时（即 = - 0 = ），则 根据电极电位对活化能的影响，活化能变为： 因此，当点击电位变为时，阴、阳极反应电 流密度变为ic和ia W1 = W10 - nF W2 = W20 + nF 同理， 改为对数表示形式为： 上述四个方程就是电化学步骤的基本动力学方程 ！ 请注意式中各参数的物理意义。 5.3.1 平和“交换电流密度”i0 选取电极体系的平衡电极电位平为电位零点（ 0），即 0= 平=0，所以， = - 平 在平时，电极体系处于平衡状态，即阳极 反应速率（ ia0 ）与阴极反应速率（ ic0 ）相等， 于是定义了一个统一的符号i0 来表示，即 ia0 = ic0= i0 交换电流密 度 对于阳极反应 = - 平=a 所以有： 对于阴极反应 = - 平=-c 所以有： 若改写成指数形式，则有： 阳极反应 阴极反应 知道了、和i0，根据上面的电化学步骤的基本动 力学方程，就可以计算任一电位下的绝对电流密 度ia 、 ic 。 过电位ia 和 ic的影响 注意： i0的物理意义 （1） i0与反应体系中各种离子的平衡浓度有关。 若改变了某一种反应离子的浓度， 平和i0数值都 会随之发生变化。所以，在用i0描述动力学性质时 ，必须同时给出平衡条件，即各离子的平衡浓度 。 （2）i0的值反映了电极反应的可逆程度与计划 性能。 5.3.2 电极反应的标准反应速度常数K 当电极反应处于标准平衡状态时，即 = 平 上两式中： 5.3.2 电极反应的标准反应速度常数K 此时，i a=i c， 若忽略活度系数的影响， 则有cR=c0。 所以：Ka = Kc = K 标准反应速 率常数 K称为“标准反应速率常数”。它表示，当电极电位为反 应体系的标准平衡电位和反应粒子为单位浓度时，电极 反应进行的速度。K的单位是 cm/s。 注意： （1）虽然在推导K时采用了 = 及cR=co的标准 反应体系，但由于K是一个有确切物理意义的常数 ，因而对于非标准体系同样适用，只是应将电化 学步骤的基本动力学方程写成一般的形式： 显然， = ，cR=c0=1时， i a=i c= nFK （2）在推导中采用的电位标是任意的，换用不 同的电位标后，虽 和平得值会改变，但当 = 平 时所表现的客观情况总是不变的，因此K的 值不会改变。 5.3.3 i 0和K的关系 根据能斯特方程 当 = 时，cR=c0=1， i a=i c= i0， 将K和的值带入上式，就可以求出任意浓度（cR 和c0）的 i0。 但必须注意： （1）上述关系只使用于简单的电极反应； （2）注意浓度的单位换算，浓度单位一般用 “mol / cm3”。当生成不溶的独立相时，其浓度取 110-3 mol/cm3 简化处理后， 5.4 稳态电化学极化动力学方程 当一定大小的电流流过电极时，电极电位偏离 其平衡电极电位。当达到稳态时，即电极过程各个 步骤的进行速度不再随时间而改变，电极电位与外 电流密度（I）都处于稳定状态。 如果通电时，电极上只发生单一的电极反应， O + ne- R 此时有： 阳极外电流 Ia = ia - ic 或者 阴极外电流 Ic = ic - ia 当为阳极外电流I a时，此时有净的阳极极化电流 流过电极表面，发生阳极极化。假设此时电位为 ，有 = 平0（以平为电位零点） 两式中：a = - 平 c = 平- 电化学控制下阳极极化时的稳态极化曲线方程为 ： 由于式中 a = - 平= -c 电化学控制下阴极极化时的稳态极化曲线方程为 ： 由于式中 c = -( - 平)= -a 上述两个电化学极化控制下的稳态极化曲线方程， 又称巴特勒沃尔摩（Butler-Volmer）公式。 它描述了一个电 极反应的过电位 与内、外电流密 度的关系 或其对数形式： 巴特勒沃尔摩（Butler-Volmer）方程还可改写为 ： a) 阳极极化时： 巴特勒沃尔摩（Butler-Volmer）方程的简化 (1) 强极化（|I|i0）时的近似公式 或对数形式： ab 阳极极化Tafel常数 b) 阴极极化时： 或对数形式： ab 阴极极化Tafel常数 一般温度下0.12V时，可以认为是处于强极化范 围，上述简化公式可适用。 电化学极化曲线 （实线） 与a- lgi a曲线和 c- lgi c的关系 (2) 微极化时的近似公式 当电极只产生微小幅度的极化时（微极化） ， a和c都很小，此时 ia和ic也都很小。在 Butler-Volmer公式中二项的值都很小，所以可 以利用以下数学公式进行近似计算： a) 阳极极化时： b) 阳极极化时： 微极化时的极 化曲线示意图 5.5 浓差极化与电化学极化共存时的动力 学规律 只要有外电流通过电极，电极表面附近液层 中反应粒子浓度的变化总是不可避免的，所以， “浓差极化”与“电化学极化”并存的现象在实际的 电极过程中是普遍的。 特别是，当极化电位增大时，外电流密度随之按 指数规律增大，其数值终将接近极限扩散电流密 度（Id）,这时就更不能忽视浓差极化的影响了。 处理方法： 在电化学极化的动力学方程中改为采用反应 粒子的表面浓度c s, 而不是本体浓度c 0，以阴极 电流为例 在平电位下，ia=ic=i0，此时I=0。如果cos=co0， cRs=cR0，则： 处理过程： 由扩散传质步骤和电化学步骤混合控制下的动力学 方程为： 如果，Ici0，原方程简化为： 将 代入上式，并改写成对数形式： 对数形式的方程中，第一项系数由“电化学”极化引 起，其数值决定于Ic/i0，第二项由“浓差极化”引起， 其数值决定于Ic与Id的相对大小。 混合控制时的动力学分析 （1）若I cI ci0 ，主要为电化学极化，浓差 极化可以忽略； （4）若I c Idi0 ，混合控制，两种极化因素都 要考虑。 注意： 在混合控制时，视外加极化电流I c的大小，往往 也有起主要作用的，例如： （1） I c较小时，以电化学极化为主 （2） I c I d时，浓差极化成为主要因素，但 此时（ I ci0 ）电化学极化仍然存在； （3）当过电位进一步增加，完全由浓差极化控 制，此时，虽然电化学步骤仍处于非平衡状态 ，但其已不再是控制步骤。 上述曲线可以分为3个区域： （1）若I cI ci0 范围，极化曲线呈半对数关 系，这时的过电位纯粹由“电化学极化”引起； （3）若I cIdi0 的范围，反应处在“混合控制 区”。随着电流的增大，逐渐具有极限电流的性 质，即反应完全受到“扩散控制”了。 5.6 电化学极化与浓差极化的比较 本章小结 电化学极化的本质； 电极电位对反应活化能的影响； 电化学极化基本动力学方程； 电化学步骤的基本动力学参数； 稳态电化学极化曲线方程及其特点； 近似处理：强极化与微极化。 电化学极化与浓差极化的比较。 习题： （1）电化学步骤的基本动力学参数有哪些？它们 的物理意义是什么？ （2）试根据电极反应体系的交换电流（i0）、极 限扩散电流（Id）与外电流（I）的相对大小，说 明：在什么情况下出现电化学极化？什么情况下 出现浓差极化？又在什么情况下不出现明显的极 化？ （3）外电流（I）与过电位（）之间的线性关系 和半对数关系各在什么条件下出现的？由此能否 说电化学极化有两种截然不同的动力学特征？ （4）实验测得25酸性溶液（pH=1）中，氢在 铁电极上析出的极化曲线符合Tafel关系，得到 a=0.7 V，b=128 mV。试求外电流为1 mA/cm2时 的电极电位（）、阴极过电位（ c）及交换电 流（i0）。 例题： （1）在某电极上测得电极反应Fe3+ e- Fe2+ 的a=0.5，i0= 610-3 A/cm2，对应平衡浓度为 cFe(II)=0.03 mol/L， cFe(III)=0.015 mol/L, 求： K及相应于平的ka和kc； 当cFe(II)= cFe(III)=0.015 mol/L 时，求 i0，K及相应 于平的ka和kc; cFe(II)= cFe(III)=1 mol/L 时，求 i0，K及相应于平的 ka和kc; 当cFe(II)=0.015 mol/L，cFe(III)=0.01mol/L，求 i0， K及相应于平的ka和kc，并讨论动力学参数随体系 浓度变化的规律。 （2）在含Fe2+溶液中的铁电极上测得平=-0.5 V ； i0=10-9 A/cm2 ，a=0.45，求K值及极化到该体系 的0平时的外电流值。（T=0.25，