电化学工作站测极化曲线
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应用电化学实验
本课程安排4个综合实验,每个实验4个学时,共16个学时,按照10人一组分别进行。自编实验讲义。实验仪器有:分析天平;直流稳压稳流电源;电化学工作站;恒温水浴;饱和甘汞电极;鲁金毛细管;H 型电解槽;Pt 电极;电解槽;赫尔槽;电力搅拌器、磁力搅拌器;pH 计。
实验1:极化曲线的测定
实验内容:测定Ni 2+离子、Co 2+离子单金属电沉积、以及Ni-Co 合金共电沉积的稳态阴极极化曲线。 一、 实验目的
1.掌握三电极体系装置和电化学工作站的应用。
2.掌握用线性电位扫描法测量极化曲线的原理和实验方法,学会从极化曲线上分析电极过程特征。
2.测定金属电沉积的阴极极化曲线。
3.学会数据的分析和处理。 二、 实验原理
研究电极过程的基本方法是测定极化曲线。电极上电势随电流密度变化的关系曲线称为极化曲线。极化曲线表示了电极电位与电流密度之间的关系,从极化曲线上可以求得任一电流密度下的过电势(超电势),看出不同电流密度时电势变化的趋势,直观地反映了电极反应速度与电极电势的关系。在某一电流密度下极化曲线的斜率i ∆∆ϕ称为极化度(极化率),极化度的大小可以衡量极化的程度,判断电极过程的难易。极化度小,电极过程容易进行;极化度大,电极过程受到较大阻碍而难以进行。从极化曲线还可求电极过程动力学参数,如交换电流密度i 0、电子传递系数α、标准速度常数、以及扩散系数;还可以测定反应级数、电化学反应活化能等。
被控制的变量电极电位是随时间连续线性变化的。随时间连续线性变化的电位可用线性方程表示:
Vt i +=ϕϕ;
其中:ϕ——扫描电位,t ——扫描时间,V ——扫描速度,i ϕ——扫描起点电位。
常以研究电极相对于参比电极的开路电位作为扫描的起点电位。扫描电位与时间的关系如图1所示。
图1 电位与时间的关系
三、实验仪器、测量线路及试剂
1. 实验主要仪器:电化学工作站、计算机、H电解槽,铜丝电极(研究电极),箔片(辅助电极),饱和甘汞电极(参比电极)、Luggin毛细管。测量线路如图2所示。
图2 极化曲线测量示意图
测定极化曲线通常采用三电极体系,如图所示:1—H电解槽,2—辅助电极(Pt 电极),3—隔膜,4—电化学工作站,5—电脑,6—研究电极,7—盐桥,8—参比电极(饱和甘汞电极)。
采用鲁金毛细管降低溶液的欧姆降,毛细管尖端尽可能靠近待测电极表面。
2.试剂:分析纯,NiCl2、NiSO4、CoSO4、KCl 、H3BO3、十二烷基硫酸钠
四、实验步骤
1.按表中组成分别配制Ni溶液、Co溶液、Ni-Co溶液各200mL,按照图2连接好测量线路。
2.接通电化学工作站电源,指示灯亮,打开计算机电源,计算机进入Windows 系统,点击Windows系统中的CHI660C程序。
3.设置实验技术:在Setup菜单中点击Technique命令,系统出现一系列实验技术,点击线性扫描技术Linear sweep voltammetry。
4.读取开路电位:在Control菜单中点击Open circuit potential,测量开路电位。
5.选择参数:init E(V)=开路电压,Final E(V)= -1.4(可以自由设定),Scan rate =0.01V/s、0.004 V/s、0.006V/s;Sample interval (V)=0.001,Quiet time(s)=2,Sensitivity (A/V)=1.0e-5(或者设置为自动精度,保证数据不溢出)。
6.运行实验:在Control菜单中点击Run experiment命令,分别测出Ni、Co、Ni-Co的阴极极化曲线(注:实验过程中如需要暂停实验或停止实验,在菜单中点击Pause或Stop命令;实验过程中如果发生数据溢出的情况,一般要先Stop,再进行其他操作,不能直接关闭程序或进行其他操作)。
7.数据保存:实验完成后,在File菜单中点击Save as命令,设置路径及输入文件名,点击确定后计算机就保存了实验数据。
8. 保持其他的实验参数不变,改变电解液的温度,比如在室温、30℃、40℃下分别进行实验。
9.实验完毕,退出CHI660C应用程序。在确定所有应用程序都退出后,关闭CHI660C电化学工作站电源,然后关闭计算机,切断电源。
五、实验数据处理与分析
1.将CHI66C测量数据转变为文本文件,在origin软件上作图,得到φ-i极化曲线。
2.将不同扫描速度下的极化曲线叠加在同一个图上,进行比较,观察扫描速度对
极化曲线是否有影响。
3. 将不同温度下的极化曲线叠加在同一个图上,进行比较,观察扫描温度对极化曲线是否有影响。
4.将极化曲线转化为
Tafel
曲线,根据公式
Tafel
公式
i zF
RT
i zF RT lg 303.2lg 303.20ααη+-
=,分别求出不同温度下Ni 2+发生阴极还原时的交
换电流密度i 0、电子传递系数α。