电化学工作站原理及应用.ppt

目录 Contents 1 电化学工作站的基本概述 2 电化学测试方法 3 电化学工作站的原理 4 电化学工作站的具体应用 2 1 二电极电化学池 Eappl 0 64V 无电流 Eappl 0 84V 有电流 额外的0 2V包括两部分 过电势 和溶液的电阻导致的电势降 iR 欧姆降 欧姆降足够小 1 2mV 可以采用二电极 给定的电势只有一部分作用到电极上 3 2 三电极电化学池 工作电极 WE 参比电极 RE 对或辅助电极 counterorauxiliaryelectrode CE Luggincapillary 加入的电极叫做参比电极 它的作用是为了测量进行这些反应的电极电位的一个基准电极 被测定的电极叫做工作电极 与工作电极相对的电极叫做辅助电极 在三电极法中为了能够在测定研究电极和参比电极之间电压同时 又能任意调节研究电极的电位 最理想的设备为具有自动调节功能的恒电位仪 6 对 辅助 电极 作用 传导电流要求 1 良好的电子导体 2 研究电势范围内是惰性 3 面积大于工作电极 4 形状与工作电极吻合 5 放置在与工作电极对称的位置常用 镀Pt黑的Pt或Ni等 玻炭 石墨等 7 工作电极 液体电极 Hg电极固体电极 惰性电极 Pt Au C 和氧化还原电极 Cu Pb Mg等 电极材料的选择 背景电流小 电势窗口宽 导电性好 稳定性高 重现性好 表面活性及表面吸附性能等 常用的液体Hg电极有 1 滴汞电极 droppingmercuryelectrode DME 2 静态滴汞电极 staticmercurydropelectrode SMDE 3 悬汞电极 hangingmercurydropelectrode HMDE 8 金属电极 Pt Au Ag等 导电性好 背景电流可以忽略 表面改性方便 制备简单 但表面不均一 真实面积不宜控制 易吸附污染物被污染 杂质影响敏感 表面可能腐蚀或钝化 固体电极 金属电极和炭电极 判断分析 是实验结果的分析和解释 响应信号 是实验结果 扰动信号 是测量条件的选择与控制 学习电化学测量的基本方法如下 三电极与两回路 实测图 三电极与两回路 原理图 研究电极WE 三电极组成 三电极 辅助电极CE 参比电极RE 实现控制或测量极化的变化 测量WE通电时的变化情况 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 两回路 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 三电极的优点 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 两类溶液体系 1 2 1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 化学稳定性高 体积适中太小 研究体系浓度变化 太大 浪费浓度变化 可见c与J0有关 三电极体系中各组成部分的作用和要求 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 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 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 三电极体系中各组成部分的作用和要求 辅助电极的位置 大小及形状 位置 与WE平行放置 大小 SCE 5SWE 三电极体系中各组成部分的作用和要求 形状 例如天津第一电镀厂 要镀12t的轴 直径1 2m 长 12m 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 恒电位测量中 电解池的内阻要小 三电极体系中各组成部分的作用和要求 作用 比较 本身电位的稳定 应具备的条件 可逆电极 浓度不变 电位不变 这是热力学说法 符合Nernst方程 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 7A cm2 参比电极 应具备的条件 良好的稳定性 化学稳定性好 温度系数小 具有良好的恢复特性 恒电位测量中 要求低内阻 从而实现响应速度快 参比电极 常见的参比电极 甘汞电极 Hg Hg2Cl2 Cl 由于Hg Hg2 亚汞不稳定 高温时易变成Hg2 受温度影响大 70 另外 Cl 要饱和 防止发生变化 参比电极 常见的参比电极 汞 硫酸亚汞电极 Hg Hg2SO4 SO42 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 参比电极 常见的参比电极 汞 氧化汞电极 Hg HgO OH 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 参比电极 常见的参比电极 银 氯化银电极 Ag AgCl Cl 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 参比电极 1 2 2 2常见的参比电极 工业用参比电极 Cd Pt Au C Li Cd Cd OH 2 OH Cd CdSO4 SO42 1 2 2 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 Cl OH Hg HgO OH 参比电极 测量与被测体系组成或浓度不同时用盐桥 作用 消除或减小液接电位 消除测量体系与被测体系的污染 要求 盐桥制备的注意事项 内阻小 合理选择桥内电解质溶液的浓度 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 盐桥内溶液不能和测量 被测量体系发生相互作用 固定盐桥防止液体流动采用4 的琼脂溶液固定 盐桥 研究电极 滴Hg电极的优点 汞滴表面积可准确测量 cm2 m为滴汞流速 mg s t为时间 s 实验结果重现性好 汞滴连续 电化学稳定性高 0 6 1 6V 表面均一性高 光滑 光洁 汞滴可重现 滴Hg电极的缺点 被测体系的浓度有一定的限制浓度不能太小 若0 1M 汞滴不宜滴落 合适的浓度范围是 0 01 C 0 1M电位区间小 实际测量有限电位范围 0 6 1 6VHg电极表面行为与其它电极表面有差距 1 2 5 1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 1 2 5 2辅助电极的要求 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 辅助电极形状应与研究电极相同 以实现均匀电场作用 辅助电极 参比电极电位必须稳定温度系数小 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 精确测量的注意事项 测量或控制电位仪器的要求 内阻足够大 精确测量的注意事项 若要求 则要 一般 就满足测量精度要求 测量或控制电位仪器的要求 内阻足够大 精确测量的注意事项 一般 就满足测量精度要求 若 则 考虑R池也有一定的值 故 若 则测量精度如要满足1mV 需要 1 电化学工作站的基本概述电化学工作站在电池检测中占有重要地位 它将恒电位仪 恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合 既可以做三种基本功能的常规实验 也可以做基于这三种基本功能的程式化实验 在试验中 既能检测电池电压 电流 容量等基本参数 又能检测体现电池反应机理的交流阻抗参数 从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析 电化学工作站的装置图 1为工作电极2为参比电极3为对电极 321 电化学工作站的装置图 电化学工作站的装置图 1 3恒电位仪的基本概念恒电位仪是电化学测试中最重要的仪器 其性能的优良直接影响电化学测试结果的准确度 由它控制电极电位为指定值 以达到恒电位极化的目的 若给以指令信号 则可使电极电位自动跟踪指令信号而变化 内容 恒电位仪的原理1 溶液等效电路与三电极体系2 电子线路基础3 恒电位仪典型电路与结构4 恒电位仪主要技术参数 法国雷氏恒电位仪voltalab50 恒电位仪 263 2263 273 2273 EG GPARC Autolab BAS100W WE 工作电极 研究电极RE 参比电极CE 辅助电极 对电极 WE RE CE 恒电位仪 溶液等效电路与三电极体系 一 恒电位仪的原理 两电极体系 E 两电极体系常用于工业电解 电镀 电合成以及电池 但在基础理论研究中并不适用 Rf Cd Rl Cd 双层电容 Rf 法拉第电阻 Rl 溶液电阻 界面电位 电化学特性的关系是电化学研究中的核心部分 电极等效电路 E 恒电位仪 CE RE WE E i 0 i RE要求 电极电位非常确定 稳定 常用饱和甘汞电极 SCE Ag AgCl 可逆氢电极 RHE 以及某些金属 如Pt Ag等 三电极体系 恒电位仪可以控制单根电极的界面电位 从而研究它的电化学特性 CE一般只要求化学 电化学稳定性好 表面积较大 如Pt黑 C等 1 2 3 1 3 2 现代恒电位仪的结构框图 计算机 单片机 缓存 A D D A 电流转化 恒电位电路 通讯协议USB 串口 GPIB 并口 状态控制 电解池 电子线路基础 直流电源 220V 变压 整流 滤波 对于恒电位仪 电源电压10 100V 它决定最大槽压 正电源 电源 运算放大器 A D与D A 负电源 地 0V 电路板中的 地线 是一个参考点 它与平常从大地引出来的地线不是一个概念 但由于电路板的 地线 常与电源插头的地线 金属外壳相连 最后通过三孔插头与地线相连 使仪器具有较好的安全性和屏蔽性能 运算放大器 Operationalamplifier 运算放大器是恒电位仪恒电位电路的核心部件 掌握运算放大器的原理 特性及其基本电路 才能了解恒电位仪的原理 Vin Vin 运算放大器的特性 输入阻抗高 可达1012W以上 运放基本电路 Vout Vi Vout Vi 电压跟随 输入阻抗高 1012W 电位测量准确 Vi Vi R Vout i 电流 电压转化 0 0 i Vout iR 应用 测量电流 i Vout R 1 R为电流灵敏度 虚地 RF Vout i 0 0 i Ri 为放大倍数 Vi 反相放大 A 1放大A 1衰减 RF Vout i Vi i Ri Vi 同相放大 Vi 0V 放大倍数 数模转化器D A 计算机的CPU 单片机只能处理不连续的二进制的数据 0 1 即数字 但自然界的物理量决大部分是模拟量 即它们是连续变化的 二者的联系要通过模数转化器 A D 和数模转化器 D A 这两个桥梁 数字信号 模拟信号 D A转化器可以把数字信号转为模拟信号 基准电压E0 如10 000V 5 000V 2 500 1 250 0 625 0 039 E 6 523V D A 1 2 3 8 1 0 1 0 0 1 1 1 通过电阻阵列进行等比分压 加法电路 8阶 即8位 bit 高位 低位 t E EA 6 513V 基准电压E0 如10 000V 5 000V 2 500 1 250 0 625 0 039 1 0 1 0 0 1 1 1 ED 6 523V 误差 ED EA 0 010V A D转化器与D A相反 它把模拟信号转为数字信号 比较器 EA ED 数字信号 D A 逐次比较 直到ED EA A D测量时 最后一位数字会有偏差 1 因此测量误差为 A D位数 n 越高 误差越小 恒电位仪A D转换器的位数一般为20 16 14 12位等 对于A D位数较低的恒电位仪 电流测量过程常出现台阶 此时应该提高电流灵敏度 如1mA 100mA Si 1mA Si 100mA 简易恒电位仪电路示意 电压信号输入 CE RE WE 工作电极相对于参比电极的电压为1V 即通常所说的工作电极的电压为1V 实用恒电位仪典型电路 信号输入 CE RE WE 1 0V 0V 1 0V R R 0V R1 Ri OP1 OP2 OP3 1 0V 电流灵敏度 电流输出 WE相对于RE的电压为 1 0V与输入信号相同 辅助功能 外输入 Ei CE RE WE 0V Ei Eext R R 0V R1 Ri OP1 OP2 OP3 电流灵敏度 电流输出 WE相对于RE的电压 Ei Eext Eext Ei Eext 辅助功能 欧姆降补偿 CE WE RE 溶液电阻 E Ef 峰位移动 峰宽化 E t Ef E EL EL i Ru EL i 电流越大 溶液电阻压降越明显 Ru通常在10W以上 当电流达mA级时 电位误差 10mV必须考虑欧姆降补偿 利用电位阶跃测量溶液电阻 欧姆降补偿 信号输入 CE RE WE R R 0V R1 Ri OP1 OP2 OP3 欧姆降补偿 EL与电流成正比 相当于再外加一个电压 抵消溶液电阻压降 辅助功能 滤波 WE R OP2 电流输出 正常信号噪音干扰后的信号 噪音最主要成分是50Hz交流电的干扰 消除方法滤波屏蔽采样频率调整为20ms的整数倍 二阶压控滤波器 恒电流 EI CE WE RI OP1 EI i i i 与恒电位不同 参比电极对电流控制无影响 它只负责电位测量 恒电位仪主要技术参数 电压调制范围 10V槽压 20V最大 小 电流 200mA 120fA 电流灵敏度与分档 200mA 200nA7挡采样速率 50kHzA D精度 16bitsD A精度 16bits电位上升时间 1ms溶液电阻补偿范围 20MW 20W计算机通讯接口类型 USB其它附属功能 如交流阻抗 外输入 输出接口 软件功能 是否支持用户开发等 2263恒电位仪的技术参数 2 电化学测试简述电化学测定方法是将化学物质的变化归结为电化学反应 也就是以体系中的电位 电流或者电量作为体系中发生化学反应的量度进行测定的方法 包括电流 电位曲线的测定 电极化学反应的电位分析 电极化学反应的电量分析 对被测对象进行微量测定的极谱分析 交流阻抗测试等 常用的电化学测试方法技术为 电流分析法 也称为计时安培法 差分脉冲安培法 DPA 差分脉冲伏安法 DPV 循环伏安法 CV 线性扫描伏安法 LSV 常规脉冲伏安法 NPV 方波伏安法 SWV 等 电化学测试方法的优点 1 简单易行 可将一般难以测定的化学参数直接变换成容易测定的电参数加以测定 2 灵敏度高 因为电化学反应是按法拉第定律进行的 所以 即使是微量的物质变化也可以通过容易测定到的电流或电量来进行测定 3 实时性好 利用高精度的特点 可以检测出微反应量 并对其进行定量 交流阻抗的原理及应用交流阻抗方法是用小幅度交流信号扰动电解池 并观察体系在稳态时对扰动的跟随的情况 同时测量电极的交流阻抗 进而计算电极的电化学参数 从原理上来说 阻抗测量可应用与任何物理材料 任何体系 只要该体系具有双电极 并在该双电极上对交流电压具有瞬时的交流电流相应特性即可 交流阻抗谱 EIS 在防腐技术方面的应用1985年发现聚苯胺能使不锈钢的电位维持在稳定钝化区 使其处于阳极保护状态 聚苯胺在金属防腐工程领域的应用成为近年来