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電化學工作站的原理

閱讀:4221      發(fā)布時間:2020-3-26
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引言

電化學工作站(圖1)是一種控制工作電極和參比電極之間電位差的電子儀器,。其中,,工作電極和參比電極都是電化學電解池里的組成部分。電化學工作站通過向輔助電極或?qū)﹄姌O中注入電流來控制工作電極和參比電極兩者間的電位差,。

在幾乎所有的應用中,,電化學工作站測量的都是流經(jīng)工作電極和對電極之間的電流。電化學工作站中的控制變量是電位,,測量變量是電流,。

儀器公司的電化學工作站

先決條件

該操作說明書是建立在您對一些電子類術(shù)語如電位,電流,,電阻,,頻率和電容等有一定了解的基礎上寫的。如果您在這方面的知識儲備有所欠缺,,我們建議您先瀏覽一下其他的基礎書籍,,例如電子學或物理學書。

電極

電化學工作站的使用一般配套三電極的電化學電解池裝置,。

工作電極

工作電極是電壓受控恒定,、電流可測量的一類電極。在很多的物理電化學實驗中,,工作電極通常采用惰性材料,,比如金,鉑或者玻碳,。在這些例子中,,工作電極僅作為表面為電化學反應的發(fā)生提供場所。

在腐蝕測試中,,工作電極是要腐蝕的金屬材料。一般來說,,工作電極不是真正我們要學習的金屬結(jié)構(gòu)本身,。而是采用一個小的樣品來代表整體結(jié)構(gòu)。這類似于使用失重試片進行測試,。工作電極可以是純金屬或者包覆后的金屬,。

對于電池,電化學工作站直接連接到電池的負極或正極,。

參比電極

參比電極是用于輔助測定工作電極電位的一種電極,。參比電極應該具有已知且穩(wěn)定的電化學電勢。

實驗室常用的參比電極是飽和甘汞電極(SCE)和銀/氯化銀電極(圖2)。在野外,,常會用準參考電極(工作電極所用材料),。

銀/氯化銀(Ag/AgCl)參比電極

圖2 銀/氯化銀(Ag/AgCl)參比電極

對(輔助)電極

對(輔助)電極是一個導體,用以完善電解池電流回路,。

實驗室用的對電極通常采用惰性材料如鉑或石墨烯,。在野外,人們也常用工作電極所用材料,。 電流自工作電極流入溶液,,從對電極流出。

所有電極浸浴在電解液(導電溶液)中,。電極,,溶液和盛裝溶液的電解池組合總成稱作電化學電解池。

簡化示意圖

Gamry公司生產(chǎn)的電化學工作站的簡化示意圖如圖3所示,。

 電化學工作站的簡化示意圖

圖3 電化學工作站的簡化示意圖

內(nèi)部電路由四個部分組成,,以下作詳細的介紹。即便你對電學不熟悉,,也可以從下面的信息中了解一二,。

在圖3中,放大器上的×1表示這是一個單位增益差分放大器,。電路的輸出電壓即為兩個輸入信號的差值,。

兩個標有Voltage和Current × Rm的圖標表示的是電壓和電流信號,該信號將傳送至系統(tǒng)用于數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,。

靜電計

靜電計電路測量的是參比電極和工作電極間的電位差,。其輸出信號有兩個主要的功能:一個是可以作為電化學工作電路中的反饋信號;一個是可以用于計算測量電解池的電壓,。

理想的靜電計具有零輸入電流和無限大的阻抗,。流經(jīng)參比電極的電流會改變它的電勢。在實際應用中,,所有靜電計的輸入電流幾乎無限接近零,,因此上述的現(xiàn)象通常可以忽略,。

靜電計有兩個重要參數(shù):帶寬和輸入阻抗,。帶寬表征的是當靜電計被一個低阻抗源驅(qū)動時,其可測得的AC頻率,。靜電計的帶寬必須高于電化學工作站中其他電子組成部分的帶寬,。

靜電計輸入電容和參比電極電阻共同組成RC濾波器。如果濾波器的時間常數(shù)太大,,它會限制靜電計的有效帶寬,,還會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,。小的輸入電容可以獲得更穩(wěn)定的操作,同時增加儀器對高阻抗參比電極的耐受性,。

I/E轉(zhuǎn)換器

簡化示意圖中的電流電壓(I/E)轉(zhuǎn)換器測量的是電解池電流,。它迫使電解池電流流經(jīng)一個電流測試電阻Rm。通過Rm 上的電壓降計算出電解池的電流,。

在一些實驗中,,電解池電流變化不大。在其他的一些實驗,,如腐蝕實驗中,,電流經(jīng)常能變化到七個數(shù)量級以上。在這種情況下,,你將不能夠僅通過使用一個單獨的電阻去測量如此大范圍的電流,。我們可以將許多不同的Rm電阻自動組合接入I/E電路。這樣可以測量各種不同大小的電流,,每次測量可以依據(jù)電流大小選定合適的電阻,。I/E自動變換量程程序常用來選擇合適的電阻值。

I/E轉(zhuǎn)換器的帶寬強烈地依賴于它的敏感度,。測量小電流需要大的Rm電阻,。I/E轉(zhuǎn)換器中的離弦電容形成一個帶Rm的RC濾波器,限制了I/E的帶寬,。沒有電化學工作站能夠準確測量100kHz下的10nA電流,,因為這個電流范圍的帶寬太低了以至于無法測定100kHz的頻率。這個效應在EIS測量中非常非常重要,!

調(diào)整放大器

調(diào)整放大器是一個伺服放大器,。它可以將實際測得的電解池電壓與預期電壓相類比,并向電解池中灌輸電流迫使兩者相同,。

需要注意的是,,實際測得的電壓被輸入調(diào)整放大器的負輸入端。測量電壓中的正擾動將導出一個負的調(diào)整放大器輸出信號,。這個負的輸出信號將抵消原來的擾動,。這種控制線路被稱為負反饋。

在正常情況下,,電解池電壓會被控制成與信號源電壓相同,。

調(diào)整放大器的輸出都有一個極限值。以Gamry公司的Reference3000為例,,它的調(diào)整放大器輸出不會超過32V或3A。

信號

信號電路是一個電腦控制的電壓源,。它通常是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號,,其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器將電腦生成的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓。

合理地選擇編號順序可以使電腦產(chǎn)生恒壓,電壓斜升,,甚至數(shù)字電路輸出信號中的正弦波,。

當數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于生成一個波形例如一個正弦波或者一個斜升時,波形是一個等效模擬波形的數(shù)值近似,,其中含有小的電壓階躍,。這些電壓階躍的大小受數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率的限制,比率本身將更新成新的數(shù)字,。

恒電流儀和零電阻電流計

Gamry的電化學工作站還可作為恒電流儀和零電阻電流計使用,。當你把反饋從電壓信號模式切換到電解池電流信號時,簡化示意圖中的電化學工作站就變成了恒電流儀,。這時,,儀器控制的是電解池電流而非電解池電壓。靜電計輸出信號還可以用來測量電解池電壓,。

零電阻電流計允許你在兩電極間施加零伏電位差,。電極間的電流可以測得。零電阻電流計常被用來測量恒流腐蝕現(xiàn)象和電化學噪音,。

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