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測試表征系列 | 電化學人必備！循環伏安法知識大全來了，速收藏！
來源：科學10分鐘 時間：2022-10-11 15:00:59 瀏覽：17060次

1 引言

循環伏安法 (Cyclic Voltammetry, CV) 是一種研究電極/電解液界面上電化學反應行為-速度-控制步驟的技術手段，其廣泛應用于能源、化工、冶金、金屬腐蝕與防護、環境科學、生命科學等眾多領域。該方法測試簡單、響應迅速，得到的循環伏安曲線信息豐富，可稱之為“電化學的譜圖”。但由于影響因素較多，一般只用于定性分析，如研究電極反應的性質、電極反應機理、反應速度和電極過程動力學參數等。循環伏安法對于電化學領域的研究極其重要，理解其測試原理，熟悉其測試步驟，掌握其分析應用是每一個電化學人必備的傍身技能。



2 循環伏安的基本原理

一個完整的電化學體系至少應該包括工作電極，對電極以及電解液。而在CV測試過程中，使用較多的是三電極系統和兩電極體系，如圖1所示。這兩種測試系統都包含了工作電極 (WE)、參比電極 (RE) 和對電極 (CE)。工作電極始終是研究電極，參比電極主要是用于測定工作電極的電勢/電位，對電極的作用是和工作電極組成回路以通過電流[1]。這兩者的區別在于：三電極體系中的WE、RE、CE單獨存在，而兩電極體系中WE和RE是同一電極。需要注意的是，CV測試時要求CE盡量不能影響工作電極上的反應，故一般選擇鉑這類穩定的物質；而參比電極與工作電極之間不能存在電流，且必須有穩定已知的液接電勢，以保證測量WE上的電極電勢的準確性，常見的參比電極及其氫標電極電勢歸納于表1中。

圖1 用于循環伏安測試的兩種電化學體系

表1 常見的參比電極及其電極電勢

循環伏安測試的基本原理是將三角波形的脈沖電壓（圖2）作用于工作電極和對電極形成的閉合回路，以一定速率改變工作電極/電解液界面上的電位，迫使工作電極上的活性物質發生氧化/還原反應，從而獲得電極上發生電化學時的響應電流大小[2]。記錄該過程中的電極電勢和響應電流大小，即得到對應的電流-電壓曲線。若掃描電壓僅僅從起始電位Ui沿某一方向掃描至終止電壓Us，得到的電流-電壓曲線稱為線性伏安掃描曲線（圖3）；如電壓繼續按同樣的速度反向掃描至起始電壓Ui，完成一次循環，得到的電流-電壓曲線則稱為循環伏安曲線（圖4）。同樣地，根據實際需要還可以進行連續多次循環掃描。

圖2 三角波形的脈沖電壓


圖3 線性伏安掃描曲線

圖4 循環伏安曲線

從上面給出的循環伏安（CV）曲線，不難發現隨著掃描電位的改變，CV曲線在不同的電位出現了響應電流變化的峰。那么，這些峰是如何產生的呢？各個峰的又有什么具體的含義呢？

為了使大家更容易理解，我們把一個電化學體系盡量簡化：假設初始體系中最初只有一種氧化態物質O，在工作電極上只存在一種氧化還原反應：O＋e-?R（R為還原態產物）。那么在理想狀態下，當工作電極電勢降低至O?R反應的標準電極電勢時，O會在電極上得到電子，發生還原反應，生成R，于是在測量回路中形成電流。由于電極上反應速率強烈依賴于電極電勢，而反應電流密度則取決于反應速率和反應物濃度，因此隨著電壓不斷降低，測量回路中電流增大。繼續降低電壓，反應物O在體系中的濃度降低，因此反應電流又逐步降低，當O完全轉換成R時，由于R不能繼續被氧化，即使改變電壓也不能迫使R發生轉化，因此測量回路中電流又趨近于0。也就是說，在發生電化學反應的電壓區間，電流是先增大后減小的，最終形成了“峰” 。

反之，當逆向掃描時，電壓升高至O?R反應的標準電極電勢附近，電極上生產的還原態活性物質R又發生氧化反應失去電子，產生氧化峰。因此，循環伏安測試時不同電壓范圍產生的氧化/還原峰，實質上代表了該電位下電極表面發生的電化學反應。對于某些復雜的電化學反應，其循環伏安曲線上可能存在多個峰，這就表明其電化學過程中反應物可能存在多種相變。



3 CV曲線的測試

CV曲線一般通過電化學工作站測試得到。除了測量CV曲線，電化學工作站還可以實現線性掃描伏安法、階梯波伏安法、Tafel圖、計時電流/電量法、電化學噪聲測量、電位溶出分析等測試需求；由于本文的重點僅限于討論循環伏安法，在這里我們以辰華CHI660E系列電化學工作站為例，簡要講解如何測試CV曲線。其它功能有感興趣的同學可以自行學習。


（1）將待測體系接入電化學工作站，如圖5-7所示，檢查接線是否準確。注意三電極體系和雙電極體系的區別，三電極體系中對電極和工作電極應盡量保持正對，兩電極體系中對電極和參比電極應接在同一電極上。

圖5 辰華CHI660E電化學工作站

圖6 三電極體系接線示意圖

圖7 兩電極體系接線示意圖


（2）打開電化學工作站電源，雙擊CHI660E操作軟件（圖8）進入測試主界面；

圖8 CHI660E操作軟件


（3）點擊操作欄上的“T”進入測試技術(藍色框所示)，選擇需要測試的項目（圖9）； 

圖9 電化學工作站測試程序界面


（4）選擇CV測試后，進入Parameters界面，修改CV測試的電壓窗口、掃描速率以及循環次數等（圖10）；

圖10 Parameters參數設置界面


（5）點擊工具欄上的開始按鈕，即可開始CV測試（圖11）；

圖11 CV測試中及測試完成界面

測試完成后，將文件保存為 .csv或 .txt等格式，即可利用Origin等工具作圖，得到對應的CV曲線。

圖12 CV測試后數據保存


（6）用Excel軟件打開保存的.csv原始數據，選擇電壓和電流數據，導入Origin等繪圖軟件，以電壓為橫坐標，電流為縱坐標，即可得到對應的CV曲線（圖13）。

圖13  Origin繪制的循環伏安曲線


本文我們重點分享了電化學基礎知識、循環伏安的測試原理、測試教程等內容，而關于循環伏安法的應用及分析涉及到較多的專業知識，我們將在另一推文進行詳細講解，希望各位持續關注。


參考文獻:

[1] 李荻. 電化學原理 第3版[M]. 電化學原理, 第3版. 北京航空航天大學出版社, 2008.

[2] 楊文治. 電化學基礎[M]. 北京大學出版社, 1982.

[3] 劉永輝. 電化學測試技術[M]. 北京航空學院出版社, 1987.

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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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