電化學(xué)工作站

     本文簡(jiǎn)要的介紹了關(guān)于電化學(xué)工作站的主要組成和相關(guān)原理，總結(jié)了近幾年有關(guān)電極測(cè)試和修飾方面的方法和技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于汞的污染性和汞膜鍍電極的不靈敏性，目前對(duì)于汞膜鍍電極的研究越來(lái)越少，對(duì)于鉍膜和銻膜鍍電極的研究較多，而且電極重現(xiàn)性及靈敏度都相對(duì)較高。另外，運(yùn)用電化學(xué)工作站體系測(cè)試方便簡(jiǎn)潔，成本較低，并適合多項(xiàng)研究和實(shí)際應(yīng)用。

在物理化學(xué)的眾多分支中，電化學(xué)是*以大工業(yè)為基礎(chǔ)的學(xué)科。它的應(yīng)用主要有：電解工業(yè)，其中的氯堿工業(yè)是僅次于合成氨和硫酸的無(wú)機(jī)物基礎(chǔ)工業(yè)；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；機(jī)械工業(yè)使用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來(lái)完成部件的表面精整；環(huán)境保護(hù)可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；化學(xué)電源；金屬的防腐蝕問(wèn)題，大部分金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕問(wèn)題；許多生命現(xiàn)象如肌肉運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)的信息傳遞都涉及到電化學(xué)機(jī)理。應(yīng)用電化學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的各種電化學(xué)分析法已成為實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)監(jiān)控的*的手段。 

    電化學(xué)工作站是電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是電化學(xué)研究和教學(xué)常用的測(cè)量設(shè)備。將這種測(cè)量系統(tǒng)組成一臺(tái)整機(jī)，內(nèi)含快速數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電位電流信號(hào)濾波器、多級(jí)信號(hào)增益、IR降補(bǔ)償電路以及恒電位儀、恒電流儀?？芍苯佑糜诔㈦姌O上的穩(wěn)態(tài)電流測(cè)量。如果與微電流放大器及屏蔽箱連接，可測(cè)量1pA或更低的電流。如果與大電流放大器連接，電流范圍可拓寬為±2A。某些實(shí)驗(yàn)方法的時(shí)間尺度的數(shù)量級(jí)可達(dá)l0倍，動(dòng)態(tài)范圍極為寬廣?？蛇M(jìn)行循環(huán)伏安法、交流阻抗法、交流伏安法等測(cè)量。工作站可以同時(shí)進(jìn)行四電極的工作方式。四電極可用于液/液界面電化學(xué)測(cè)量，對(duì)于大電流或低阻抗電解池(例如電池)也十分重要，可消除由于電纜和接觸電阻引起的測(cè)量誤差。儀器還有外部信號(hào)輸入通道，可在記錄電化學(xué)信號(hào)的同時(shí)記錄外部輸入的電壓信號(hào)，例如光譜信號(hào)等。這對(duì)光譜電化學(xué)等實(shí)驗(yàn)極為方便。 

　　電化學(xué)工作站已經(jīng)是商品化的產(chǎn)品，不同廠商提供的不同型號(hào)的產(chǎn)品具有不同的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)和功能，但基本的硬件參數(shù)指標(biāo)和軟件性能是相同的。 

電化學(xué)是研究電和化學(xué)反應(yīng)相互關(guān)系的科學(xué)。電和化學(xué)反應(yīng)相互作用可通過(guò)電池來(lái)完成，也可利用高壓靜電放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，二者統(tǒng)稱(chēng)電化學(xué)，后者為電化學(xué)的一個(gè)分支，稱(chēng)放電化學(xué)。因而電化學(xué)往往專(zhuān)指“電池的科學(xué)”。 

      三電極體系電極（electrode）是與電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，為多相體系。電化學(xué)體系借助于電極實(shí)現(xiàn)電能的輸入或輸出，電極是實(shí)施電極反應(yīng)的場(chǎng)所。一般電化學(xué)體系分為二電極體系和三電極體系，用的較多的是三電極體系。相應(yīng)的三個(gè)電極為工作電極、參比電極和輔助電極。

工作電極：又稱(chēng)研究電極，是指所研究的反應(yīng)在該電極上發(fā)生。一般來(lái)講，對(duì)工作電極的基本要求是：工作電極可以是固體，也可以是液體，各式各樣的能導(dǎo)電的固體材料均能用作電極。（1）所研究的電化學(xué)反應(yīng)不會(huì)因電極自身所發(fā)生的反應(yīng)而受到影響，并且能夠在較大的電位區(qū)域中進(jìn)行測(cè)定；（2）電極必須不與溶劑或電解液組分發(fā)生反應(yīng)；（3）電極面積不宜太大，電極表面應(yīng)是均一平滑的，且能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行表面凈化等等。

輔助電極：又稱(chēng)對(duì)電極，輔助電極和對(duì)電極組成回路，使工作電極上電流暢通，以保證所研究的反應(yīng)在工作電極上發(fā)生，但必須無(wú)任何方式限制電池觀測(cè)的響應(yīng)。由于工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)時(shí)，輔助電極上可安排為氣體的析出反應(yīng)或工作電極反應(yīng)的逆反應(yīng)， 以使電解液組分不變， 即輔助電極的性能一般不顯著影響研究電極上的反應(yīng)。 但減少輔助電 極上的反應(yīng)對(duì)工作電極干擾的辦法可能是用燒結(jié)玻璃、 多孔陶瓷或離子交換膜等來(lái)隔離 兩電極區(qū)的溶液。 為了避免輔助電極對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生任何特征性影響，對(duì)輔助電極的結(jié)構(gòu)還是有一定 的要求。 如與工作電極相比， 輔助電極應(yīng)具有大的表面積使得外部所加的極化主要作用于工 作電極上。輔助電極本身電阻要小，并且不容易極化，同時(shí)對(duì)其形狀和位置也有要求。

    參比電極: 是指一個(gè)已知電勢(shì)的接近于理想不極化的電極。 參比電極上基本沒(méi)有電流通過(guò)，用于測(cè)定研究電極(相對(duì)于參比電極)的電極電勢(shì)。在控制電位實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閰⒈劝腚姵?nbsp;保持固定的電勢(shì)，因而加到電化學(xué)池上的電勢(shì)的任何變化值直接表現(xiàn)在工作電極/電解質(zhì)溶 液的界面上。實(shí)際上，參比電極起著既提供熱力學(xué)參比，又將工作電極作為研究體系隔離的 雙重作用。 參比電極需要具備的一些性能：(1)具有較大的交換電流密度，是良好的可逆電極，其 電極電勢(shì)符合 Nernst 方程; 2) 流過(guò)微小的電流時(shí)電極電勢(shì)能迅速恢復(fù)原狀; 3) 應(yīng)具有良好 的電勢(shì)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性等。 參比電極的種類(lèi)：不同研究體系可選擇不同的參比電極。水溶液體系中常見(jiàn)的參比電極 有:飽和甘汞電極(SCE)、Ag/AgCl 電極、標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE 或 NHE)等。

電化學(xué)發(fā)展史:1791年伽伐尼發(fā)表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的“動(dòng)物電”現(xiàn)象，一般認(rèn)為這是電化學(xué)的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎(chǔ)上發(fā)明了用不同的金屬片夾濕紙組成的“電堆”，即現(xiàn)今所謂“伏打堆”。這是化學(xué)電源的雛型。在直流電機(jī)發(fā)明以前，各種化學(xué)電源是*能提供恒穩(wěn)電流的電源。1834年法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)為電化學(xué)奠定了定量基礎(chǔ)。 

　　19世紀(jì)下半葉，經(jīng)過(guò)赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦于電池的“起電力”(今稱(chēng)“電動(dòng)勢(shì)”)以明確的熱力學(xué)含義；1889年能斯特用熱力學(xué)導(dǎo)出了參與電極反應(yīng)的物質(zhì)濃度與電極電勢(shì)的關(guān)系，即的能斯脫公式；1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液靜電理論，大大促進(jìn)了電化學(xué)在理論探討和實(shí)驗(yàn)方法方面的發(fā)展。 

20世紀(jì)40年代以后，電化學(xué)暫態(tài)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展、電化學(xué)方法與光學(xué)和表面技術(shù)的聯(lián)用，使人們可以研究快速和復(fù)雜的電極反應(yīng)，可提供電極界面上分子的信息。電化學(xué)一直是物理化學(xué)中比較活躍的分支學(xué)科，它的發(fā)展與固體物理、催化、生命科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展相互促進(jìn)、相互滲透。