电化学测试技术:电化学工作站操作指南

新威研选
2024.12.04 12:01:19


01

三电极体系和两电极体系的区别




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。


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02

测试前装置准备



(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。


03

线性伏安测试(LSV)



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:

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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。


04

循环伏安测试(CV)



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。

以IviumStat工作站为例,如图所示:

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IviumStat工作站CV设置界面


(1)选择Cyclic Voltammetry,通常选用Standard;
(2)E start为起始电压,根据电解液和参比电极设定;
Vertex 1为顶点电压1,根据样品、参比电极和测试需求选择。样品从E start开始扫描,在到达Vertex 1时,开始反向扫描;
Vertex 2为顶点电压2,通常和E start 数值相同,样品从Vertex 1反向扫描至Vertex 2时,一圈扫描结束。该范围值可参考LSV;
N scans为扫描的圈数,Scanrate为扫描速度,Current Range为电流测试范围,均根据测试需求选择。


05

电化学阻抗谱(EIS)



电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称 EIS,也叫交流阻抗谱):给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流信号,测量交流信号电压与电流的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化,或者是阻抗的相位角 Φ 随 ω 的变化。进而分析电极过程动力学、双电层和扩散等,研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护等机理。
常用的电化学阻抗谱有两种,分别为 Nyquist 图、Bode 图,电化学研究中,一般 Nyquist 图见较为常见。Nyquist 图中 Z'(实部)与 Z''(虚部)表现了电极表面的电子转移电阻(Rct),其值与半圆部分的直径相同,并可用于描述电极与电解液之间界面的特性。Nyquist 图由两部分组成,高频区的半圆形部分对应电子传输限制过程,低频区线性部分则对应于扩散限制过程。通过计算电极表面的电子转移电阻 Rct,可以对光催化、电催化等实验过程中的某些现象进行解释。


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