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    电化学工作站基本原理,应用及选型

    电化学工作站(Electrochemical workstation) 是电化学测量系统的简称,是电化学研究和教学常用的测量设备。主要有2大类,单通道工作站和多通道工作站。应用于生物技术、物质的定性定量分析等。

    主要应用领域:

    • 研究电化学机理

    • 生物技术(医疗诊断,可穿戴)

    • 物质的定性定量分析(重金属、农残、食品、水质监测)

    • 常规电化学测试(电合成、电催化、电沉积、光致电化学、电化学发光)

    • 纳米科学研究

    • 传感器研究(气体传感器和生物传感器, DNA、免疫、病毒)

    • 腐蚀及防护研究(金属腐蚀、缓蚀剂、涂层)

    • 能源材料研究(锂电池、太阳能电池、燃料动力电池)

    • 电镀研究(铜含量的分析)

    1、 三电极体系

    三电极体系含两个回路,一个回路由工作电极和参比电极组成,用来测试工作电极的电化学反应过程,另一个回路由工作电极和辅助电极组成,起传输电子形成回路的作用。

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    如上所述,三电极体系包括工作电极、对电极和参比电极,那么它们的选择标准又是什么呢?

    1.1工作电极

    一般的工作电极需满足以下三个条件:

    ①所研究的电化学反应不会因电极自身所发生的反应而受到影响,并且能够在较大的电位区域中进行测定。

    ②电极必须不与溶剂或电解液组分发生反应。

    ③电极面积不宜太大,电极表面最好是均一平滑,且能够通过简单的方法进行表面净化。

    常见的“惰性"固体电极有玻碳、铂、金、银、铅、导电玻璃(FTO,ITO等)。常用的液体电极有液态汞。采用固体电极时,为了保证实验的重现性,需注意建立合适的电极预处理步骤。

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    1.2辅助电极(counter electrode)

    辅助电极也叫对电极,其作用是和工作电极组成一个串联回路,只起到导电的作用。

    在电化学研究中经常选用性质比较稳定的材料,比如铂或者石墨。(在需要长时间电化学实验的体系中最好选择石墨电极,因为最近的很多文献表明,当选用Pt做对电极时,长时间的测试往往会使Pt溶解,工作电极在扫描的过程中会沉积Pt,从而可能会影响工作电极的活性)

    为了减少辅助电极极化对工作电极的影响,辅助电极本身的电阻要小,并且不易极化,其面积通常要求大于工作电极。其原因是在相同的电流下,如果电极面积大,那么电流密度小,根据B-V方程,其过电位小,极化小,因此电化学工作站的灵敏度高,干扰小。反过来说,当工作电极的面积非常小时,极化电流引起的辅助电极的极化可以忽略不计,即辅助电极的电势在测量中始终稳定,此时辅助电极可以作为测量回路中的电势基准,即可作为参比电极。例如,研究超微电极时,可用二电极体系就可以完成测量。

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    1.3参比电极(reference electrode)

    一般的参比电极需满足以下三个条件:

    电极电势已知且稳定,重现性好的可逆电极。即电极过程的交换电流密度相当高,是不极化或难极化电极,因此能迅速建立热力学平衡电位,其电极电势符合Nernst方程。

    ②参比电极内的电解液不与电解池中的电解液或相关物质反应。

    ③电极电位的温度系数小。

    ④参比电极中的电解液离子渗透到溶液中不会影响工作电极的反应。

    常用的参比电极有:饱和甘汞电极(SCE)、Ag/AgCl电极、可逆氢电极(RHE)、Hg/HgO电极、Hg/Hg2SO4电极等。

    一般在酸性或中性溶液中选择饱和甘汞电极(SCE)或Hg/Hg2SO4电极,在碱性溶液中选择Hg/HgO电极。当然如果使用盐桥,SCE在碱性溶液中也是可以使用的,前提是排除Cl离子对工作电极的影响。

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    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。

    常用的电化学测试方法技术

    计时电流法(CA)、计时电位法(CP)、开路电位(OCP)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、差分脉冲伏安法(DPV)、常规脉冲伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)、交流阻抗(EIS)等。

    3、电化学工作站的应用

    3.1腐蚀与防护的研究:恒电位极化,恒电流极化,线性极化,循环极化,腐蚀电位,电化学阻抗谱(EIS)等(极化电阻、腐蚀速率,塔菲尔曲线) 。旋转圆盘电极(RDE)模拟海洋船舶和管道液体流动状态。

    腐蚀测试电解池、平板腐蚀测试池、涂层评价测试池、吸盘式腐蚀测试电解池等各种腐蚀测试池。


    3.2电池能源的研究:循环伏安(最小扫速0.02 mV/s),恒电位、恒电流充放电,开路电位,GITT和PITT。

    3.3电化学气体传感器的研究及测试:

    电化学体系气体传感器使用计时电流法(或电流检测)进行测试,大多数传感器,如生物传感器或气体传感器,需要使用此技术。仪器应用恒定的电位Edc,电流以恒定间隔时间采样测量。根据通气体后输出电流信号够判断传感器的性能。

    3.4 利用阳极溶出伏安法测定痕量重金属:

    施加一定的电位下,使待测金属离子部分地还原成金属并溶入微电极或析出于电极的表面,然后向电极施加反向电压,使微电极上的金属氧化而产生氧化电流,根据氧化过程的电流一电压曲线进行分析的电化学分析法。

    3.5 食品检测和医疗诊断

    检测土豆中葡萄糖和蔗糖、牛奶中的乳糖、白葡萄酒中的亚硫酸盐、大蒜的效力和辣椒的辣度等。



    3.6多通道光致电化学分析系统

    化学工作站与多功能LED光源连用时,可实现多种光电化学同步测量。


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