电化学工作站既是一个能够提供电压电流的电源,也是一个能精确测量电压电流的测试仪器。从结构上理解,可以认为在工作电极夹与对电极夹之间接了一个电流表,在工作电极夹和参比电极夹之间接了一个电压表。三电极是指工作电极、参比电极、对电极均接入电解池,三电极组成两个回路,工作电极和参比电极组成的回路通过电流极小,用来测试电极的电位;而工作电极和对电极组成另一个回路,用来测试电流,这就是所谓的“三电极两回路”,也就是测试中常用的三电极体系。
由于体系中有较大电流通过,产生了溶液电压降和对电极的极化,因此工作电极的电位难以直接准确测定,由此引入参比电极。参比电极有着非常稳定的电位,且参比电极的电位是已知的,经过参比电极回路的电流极小,引起的极化和其他压降基本可忽略,从而工作电极的电位可以由参比电极得到;电流由工作电极-对电极回路直接测试得到。在双电极体系中,参比电极插口与对电极插在一起,取消参比电极,参比回路与工作回路合并,测试电流依然为工作电极回路电流,电压为工作电极与对电极之间的电势差。
(1)反应器(电解池):多为玻璃器皿,分别插入电极,一个进气口,一个排气口;
(2)电极:参比电极(三电极体系需准备,常用Ag/AgCl,SCE,Hg/HgO等),对电极(常用铂丝、铂网、石墨棒等),工作电极(常用碳纸、泡沫金属、玻碳电极、旋转圆盘、旋转圆环等);
(3)电化学工作站;
(4)其他:配制电解液,制作ink,安装气体管路等。
电位随时间线性变化,测量电流随电压变化的过程。线性伏安测试一般分为两类:扫速足够慢时,电极表面被认为处于稳态,这时电流随电压的响应曲线称为稳态极化曲线,简称极化曲线,此时的电流为法拉第电流;当扫速较快时,电极表面处于暂态,我们将其称为伏安曲线,此时的电流包括法拉第和非法拉第电流。
以IviumStat工作站为例,设置界面如图1所示:
IviumStat工作站LSV设置界面
(1)选择Linear Sweep,通常选用Standard;
(2)E start为起始电压, E end为结束电压,根据电解液和参比电极进行反向推算并设定,如OER一般对应RHE下1.1-2.0V,可根据需求调整;
(3)E step为测试步长,一般为1-10mv。例如图中设置为每隔5mV测试一个点;
(4)Scanrate为扫描速度。玻碳电极一般选择5或者10mV/s,碳纸、泡沫镍等选择2mV/s以下;
(5)Current Range为电流测试范围,根据测试需求选择。选择越小,电流精度值越高,一般根据测试结果调整为比测试结果电流略大的电流值范围。
LSV测试注意事项:
(1)在测试LSV曲线之前,通常样品会测试若干圈CV曲线,活化样品表面;
(2)在测试前,观察参比电极中是否存在气泡,避免断路;
(3)在测试时如发现电流过大,立即停止扫描,检查装置是否短路;
(4)在测试时如发现电流过小,立即停止扫描,检查装置是否断路。
把伏安曲线的输入信号改成循环三角波,其响应就称为循环伏安曲线。得到的电流电压曲线包括两个分支,如果前半部分电位向阴极方向扫描,电活性物质在电极上还原,产生还原波,那么后半部分电位向阳极扫描时,还原产物又会重新在电极上氧化,产生氧化波。因此在一次三角波扫描后,电极完成一个还原和氧化过程的循环,也因此扫描电势范围须使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应,故该法称为循环伏安法。采用循环伏安方法,一方面能较快地观测较宽电势范围内发生的电极过程,为电极过程提供丰富的信息;另一方面又能通过对扫描曲线形状的分析,估算电极反应参数。
IviumStat工作站CV设置界面
