电化学实验论文.docx

电化学原理实验论文一、 实验目的1、了解金属钝化行为的原理和测量方法。2、掌握用线性电位扫描法测定镍在硫酸溶液中的阳极极化曲线和钝化行为。3、测定氯离子浓度对镍钝化的影响。4、了解极化曲线的意义和应用。5、掌握电化学分析仪的使用方法。6、 掌握恒电位法测定电极极化曲线的原理和实验技术。7、 学习循环伏安法测定电极反应参数的基本原理及方法。8、 熟悉CHI660电化学工作站的使用。9、 学会使用伏安极谱仪。10、学会测量峰电流和峰电位。二、 实验原理（课题综述）1、镍在H2SO4溶液中极化（钝化）曲线的测定1.1、金属的阳极过程金属的阳极过程是指金属作为阳极发生电化学溶解的过程，如下式所示：MMn+ne在金属的阳极溶解过程中，其电极电势必须高于其热力学电势，电极过程才能发生。这种电极电势偏离其热力学电势的现象称为极化。当阳极极化不大时，阳极过程的速率随着电势变正而逐渐增大，这是金属的正常溶液。但当电极电势正到某一数值时，其溶解速率达到最大，而后，阳极溶解速率随着电势变正，反而大幅度地降低，这种现象称为金属的钝化现象。金属钝化一般可分为两种。若把铁浸入浓硝酸（比重d1.25）中，一开始铁溶解在酸中并置换出H2，这时铁处于活化状态。经过一段时间后，铁几乎停止了溶解，此时的铁也不能从硝酸银溶液中置换出银，这种现象被称之为化学钝化。另一种钝化称之为电化学钝化，即用阳极极化的方法使金属发生钝化。金属处于钝化状态时，其溶解速度较小，一般为10-610-8Acm-2。金属由活化状态转变为钝化状态，至今还存在着两种不同的观点。有人认为金属钝化是由于金属表面形成了一层氧化物，因而阻止了金属进一步溶解；也有人认为金属钝化是由于金属表面吸附氧而使金属溶解速度降低。前者称为氧化物理论，后者称为表面吸附理论。1.2、影响的金属钝化过程的几个因素金属钝化现象是十分常见的，人们已对它进行了大量的研究工作，影响金属钝化过程及钝态性质的因素可归纳为以下几点：1.2.1.溶液的组成溶液中存在的H+，卤素离子以及某些具有氧化性的阴离子对金属的钝化现象起着颇为显著的影响。在中性溶液中，金属一般是比较溶液钝化的，而在酸性溶液或某些碱性溶液中要困难得多。这是与阳极反应产物的溶解度有关的。卤素离子，特别是氯离子的存在则明显到阻止金属的钝化过程，已经钝化了的金属也容易被它破坏（活化），而使金属的阳极溶解速率重新增加。溶液中存在某些具有氧化性的阴离子则可以促进金属的钝化。1.2.2.金属的化学组成和结构各种纯金属的钝化能力很不相同，以铁、镍、铬三种金属为例，铬最容易钝化，镍次之，铁较差些。因此添加铬、镍可以提高钢铁的钝化能力，不锈钢材是一个极好的例子。一般来说，在合金中添加易钝化的金属时可以大大提高合金的钝化能力及钝态的稳定性。1.2.3.外界因素（如温度、搅拌等），一般来说温度升高以及搅拌加剧是可以推迟过防止钝化过程的发生，这明显与离子的扩散有关。1.3、恒电势阳极极化曲线的测量原理和方法控制电势法测量极化曲线时，一般采用恒电位仪，它能将研究电极的电势恒定地维持在所需值，然后测量对应于该电势下的电流。由于电极表面状态在未建立稳定状态之前，电流会随时间而改变，故一般测出的曲线为“暂态”极化曲线。在实际测量中，常采用的控制电势测量方法有下列两种。1.3.1.静态法将电极电势较长时间地维持在某一恒定值，同时测量电流随时间的变化，直到电流值基本上达到某一稳定值。如此逐点地测量各个电极电势（例如每隔20，50或100mV）下的稳定电流值，以获得完整的极化曲线。1.3.2.动态法控制电极电势以较慢的速度连续地改变（扫描），并测量对应电势下的瞬间电流值，并以瞬时电流与对应的电极电势作图，获得整个的极化曲线。所采用的扫描速度（即电势变化的速率）需要根据研究体系的性质选定。一般来说，电极表面建立稳态的速度愈慢，则扫描速率也应愈慢，这样才能使所测得的极化曲线与采用静态法接近。上述两种方法都已获得了广泛的应用。从测定结果的比较可以看出，静态法测量结果虽较接近稳态值，但测量时间太长。本实验采用动态法。图2钝化曲线示意图用动态法测量金属的阳极极化曲线时，对于大多数金属均可得到如图所示的形式。图中的曲线可分为四个区域：（1）AB段为活性溶解区，此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随电位的变化符合Tafel公式。（2）BC段为过渡钝化区，电位达到B点时，电流为最大值，此时的电流称为纯化电流（I钝），所对应的电位称为临界电位或钝化电位（E钝），电位过B点后，金属开始钝化，其溶解速度不断降低并过渡到钝化状态（C点之后）。（3）CD段为稳定钝化区。在该区域中金属的溶解速度基本上不随电位而改变。此时的电流密度称为钝态金属的稳定溶解电流密度。（4）DE段为过钝化区，D点之后阳极电流又重新随电位的正移而增大。此时可能是高价金属离子的产生，也可能是水的电解而析出2，还可能是两者同时出现。2、镍在H2SO4溶液中的电化学阻抗图谱电化学阻抗谱早期被称为交流阻抗(ACimpedance)，实质上它是一种黑箱动态系统的研究方法。其主要过程为在一定电位或电流下对研究体系施加一小振幅正弦交变扰动信号(交变电压或交变电流)，收集对应的电流(或电位)响应信号，最终得到体系的阻抗谱或导纳谱。然后根据数学模型或等效电路模型对阻抗谱或导纳谱进行分析、拟合，以获得体系内部的电化学信息。其主要优点为对样品施加的扰动信号比较小，不会对样品体系的性质造成不可逆的影响，另一方而扰动一与体系之间的响应呈近似的线性关系，这就使得测量结果的数学处理变得简一单。电化学阻抗一谱方法是一种准稳态方法，其自变量是频率而不是时一间，因此它是一种频率域的测量方法，可以测得较宽频率范围的阻抗谱来研究电极系统。通过Laplace变换，频域和时域一叮以进行转换，因此电化学阻抗谱可以得到更多的暂态和稳态的信息，从而比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。A、电化学阻抗谱测试需满足的三个条件因果条件线性条件稳定性条件金属的腐蚀行为和腐蚀机理与腐蚀体系的极化电阻和界面电容有关。腐蚀体系的极化电阻在腐蚀电位下与腐蚀电流密度成反比，界面电容的大小与材料的表而状态和溶液成分等因素有关。利用电化学阻抗谱可以得到材料的极化电阻和界面电容等参数，从而可以分析金属的腐蚀行为和腐蚀机理，例如金属腐蚀中缓蚀剂的吸附行为、钝化膜的形成与破坏以及表面固体腐蚀产物的形成等。金属或合金腐蚀过程中在拉应力作用下引起的破坏为应力腐蚀，其主要机理有阳极溶解和氢致开裂两种，利用电化学阻抗谱可以研究力学化学效应和应力腐蚀裂纹的发展过程【2】。本实验就是通过镍在H2SO4溶液中测试电化学阻抗谱图来分析其腐蚀性。3镍在H2SO4溶液中的开路电势的测量通过开路电势的测量，从图中可以得到电势随时间的变化关系，从图中可以看到由镍在H2SO4溶液中极化曲线（由线性电位扫描法测得）的4个区域电位随时间的规律变化，从而对镍在H2SO4溶液中的行为进行采取所需结果的措施。4、循环伏安法测定铁氰化钾的电化学行为循环伏安法(cyclicvoltammetry，CV）是在固定面积的工作电极和参比电极之间加上对称的三角波扫描电压，记录工作电极上得到的电流与施加电位的关系曲线，即循环伏安图。从伏安图的波形、氧化还原峰电流的数值及其比值、峰电位等可以判断电极反应机理。可用来检测物质的氧化还原电位,考察电化学反应的可逆性和反应机理,判断产物的稳定性,研究活性物质的吸附和脱附现象;也可用于反应速率的半定量分析等。循环伏安在工作电极上施加一个线性变化的循环电压，记录工作电极上得到的电流与施加电压的关系曲线，对溶液中的电活性物质进行分析。由于施加的电压为三角波，这种方法也称为三角波线性扫描极谱法。图1电路的接法一次扫描过程中完成一个氧化和还原过程的循环，称为循环伏安法。与汞电极相比，物质在固体电极上伏安行为的重现性差，其原因与固体电极的表面状态直接有关，因而了解固体电极表面处理的方法和衡量电极表面被净化的程度，以及测算电极有效表面积的方法，是十分重要的。一般对这类问题要根据固体电极材料不同而采取适当的方法。循环伏安法控制电极电位随时间t从i线性变化增大（或减小）至某电位后，相同速率线性减小（大）归到最初电位i。其典型的CV法响应电流对电位曲线(循环伏安图)如图1示。图2.循环伏安曲线图 假如电位从i开始以扫描速度向负方向扫描,置i较(研究电极的标准电极电位)正得多,开始时没有法拉第电流,当电位移向附近时,还原电流出现并逐渐增大,电位继续负移时,由于电极反应主要受界面电荷传递动力学控制,电流进一步增大,当电位负移到足够负时,达到扩散控制电位后,电流则转至受扩散过程限制而衰减,使i曲线上出现电流峰ipc,对应的峰电位为pc。当电流衰减到某一程度,电位达后,反向扫描,则原来在电极上的还原产物成为被氧化的电化学活性物质,若研究的电化学反应是可逆反应,类似前向扫描原理,在较稍正的电位下形成氧化电流峰ipa,对应的峰电位pa。对于固体电极，溶液中有氧化态物质O时，在电极上被还原生成还原态R，即：O+ne-R；而回扫时R被氧化成O，即：RO+ne-。铁氰化钾离子-亚铁氰化钾离子氧化还原电对的标准电极电位：循环伏安图的几个重要参数为：阳极峰电流（ipa）、阴极峰电流（ipc）、阳极峰电位（Epa）、阴极峰电位（Epc）。对于可逆反应，阴阳极峰电位的差值，即E=EpaEpc56mV/Z，峰电位与扫描速度无关。而峰电流ip2.69105n3/2AD1/2V1/2C，ip为峰电流（A），n为电子转移数，A为电极面积（cm2），D为扩散系数（cm2/s），V为扫描速度（V/s），C为浓度（mol/L）。由此可见，ip与V1/2和C都是直线关系。对于可逆的电极反应，ipaipc。三、 实验步骤及实验结果（包括电极的制备、溶液的配制、电解池与电化学工作站连接及电化学实验等）实验步骤及结果：1、镍在H2SO4溶液中极化（钝化）曲线的测定（1）1%mol/dm3H2SO4 solution（2）1%mol/dm3H2SO4+0.01mol/dm3KCl solution 打开仪器和计算机的电源开关，预热10min。 研究电极用金相砂纸打磨后，用丙酮洗涤除油，再用二次蒸馏水冲洗干净，擦干后将其放入己洗净并装有0.1molL-1H2SO4溶液的电解池中。分别装好辅助电极和参比电极，并接好测量线路（红色夹子为辅助电极；绿色接研究电极；白色接参比电极及黑色接研究电极）。 通过计算机使CHI仪器进入windows工作界面；在工具栏里选中“Control”，此时屏幕上显示一系列命令的菜单，再选中“Open Circuit Potential”，数秒钟后屏幕上即显示开路电位值（镍工作电极相对于参比电极的电位），记下该数值；在工具栏里选中“T”（实验技术），此时屏幕上显示一系列实验技术的菜单，再选中“Linear Sweep Voltammetry (线性电位扫描法)”，然后在工具栏里选中“参数设定”（在“T”的右边）此时屏幕上显示一系列需设定参数的对话框：初始电位（Init E）设为比先前所测得的开路电位负0.1V。终止电位（Final E）设为1.6V扫描速率（Scan Rate）定为0.01V/s；采样间隔（Sample Interval）就是框中显示值；初始电位下的极化时间（Quiet Time）设为300s电流灵敏度（Sensitivity）设为0.01A。 至此参数已设定完毕，点击“OK”键；然后点击工具栏中的运行键，此时仪器开始运行，屏幕上即时显示当时的工作状况和电流对电位的曲线。扫描结束后点击工具栏中的“Graphics”, 再点击“Graph Option”，在对话框中分别填上电极面积（为什么？）和所用的参比电极（为什么？）及必要的注解，然后在“Graph Option”中点击“Present Data Plot”显示完整的实验结果。给实验结果取个文件名存盘。实验结果：A、镍在纯硫酸溶液中的开路电势图B、镍在硫酸和氯化钾的混合溶液中的钝化曲线C、镍在1%mol/dm3H2SO4+0.01mol/dm3KCl solution中的钝化曲线2、镍在H2SO4溶液中的电化学阻抗图谱(1) 1%mol/dm3H2SO4 solution(2) 1%mol/dm3H2SO4+0.01mol/dm3KCl solution实验条件与2相同。D、镍在1%mol/dm3H2SO4+0.01mol/dm3KCl solution中的开路电势E、镍在 1%mol/dm3H2SO4 solution中阻抗图F、镍在1%mol/dm3H2SO4+0.01mol/dm3KCl solution中的阻抗图4、循环伏安法测定铁氰化钾的电化学行为0.4mol/dm3KCl溶液中0.5mol/dm3K3Fe(CN)6电化学行为试剂：2.010-2moldm-3铁氰化钾标准溶液，1.0moldm-3的氯化钾溶液。（1） 铁氰化钾试液的配制 准确移取1.0mL和2.0mL 2.010-2moldm-3的铁氰化钾标准溶液于电解池中，加入1.0moldm-3的氯化钾溶液1.0mL，再加蒸馏水稀释至10mL。（2） 使用步骤 打开CHI660B电化学工作站和计算机的电源。屏幕显示清晰后，再打开CHI660B的测量窗口；测量铁氰化钾试液：置电极系统于装有铁氰化钾试液电解池里。打开CHI660B的【Setup】下拉菜单，在Technique项选择Cyclic-Voltmmetry方法,在parameters项内选择参数，如上图的参数设置。完成上述各项，再仔细检查一遍无误后，点击“Run”进行测量。完成后，命名存储。需要强调的是：每种溶度的试液要测量扫描速度为50mVs-1,的伏安图。（3）Init E（初始电位）：开路电位；High E（最高电位）：比开路电位增加500-800mV；Low E（最低电位）：比开路电位减小500-800mV；Sensitivity(灵敏度)：默认。设置往负方向扫描。G、0.01扫描速率的图（3） Init E（初始电位）：开路电位（或比开路电位低500-800mV）；High E（最高电位）：开路电位（或比开路电位低500-800mV）；Low E（最低电位）：比开路电位减小500-800mV；Sensitivity(灵敏度)：默认。设置往负方向扫描。H、0.05速率下的循环图四、 实验结果分析讨论1、 从图A中看出，在纯的硫酸溶液中镍的开路电势先是快速下降，再上下波动，但整体趋于平衡。2、 比较图B和图C中的两条曲线，可得出E钝和i钝随着氯离子浓度增加而增加，稳定钝化区间逐渐减小，稳定钝化区间的电流密度逐渐增大。3、 比较图E和图F的两个半圆弧的半径，图F的半径小于图E的半径，即图E的钝化膜形成较慢，所以氯离子浓度的增加，增大了镍在H2SO4溶液中的活性。4、 根据在两个氯离子浓度下的开路电势图的比较，增加氯离子浓度后开路电势下降比较缓慢，说明了加了氯化钾后，镍在硫酸溶液中的钝化膜溶解较快。5、 图G、H为用循环伏安法测定1.0mL2.010-2moldm-3K3Fe（CN）6溶液在1.0moldm-3的KCl溶液的电化学行为循环伏安曲线。从图中可看出，起始电位为+0.3V，电位比较正的目的是为了避免电极接通后Fe(CN)63-发生电解。然后沿电位小的方向（即为负）扫描，当电位至Fe(CN)63-可还原时，即析出电位，将产生阴极电流。其电极反应为：Fe(CN)63-+e=Fe(CN)64-。随着电位的变小，阴极电流迅速增加，直至电极表面的Fe(CN)63-浓度趋近于零，电流达到最高峰。然后迅速衰减，这是因为电极表面附近溶液中的Fe(CN)63-几乎全部因电解转变为Fe(CN)64-而耗尽，及所谓的贫乏效应。当电压扫描至-1.8V处，虽然已经转向开始阳极化扫描，但这时的电极电位仍很小，扩散至电极表面的Fe(CN)63-仍在不断的还原，故仍呈现阴极电流，而不是阳极电流。当电极电位继续正向变化至Fe(CN)64-的析出电位时，聚集在电极表面附近的还原产物Fe(CN)64-被氧化，其反应Fe(CN)64-e=Fe(CN)63-这时产生阳极电流。阳极电流随着扫描电位高（正）移迅速增加，当电极表面的Fe(CN)64-浓度趋近于零时，阳极化电流达到峰值。扫描电位继续正移，电极表面附近的Fe(CN)64-耗尽，阳极电流衰减至最小。当电位扫至+0.5V时，完成一次循环，从而获得了循环伏安图。同时，在此