循環(huán)伏安法指控制研究的電勢以恒定的速度從初始電勢掃描到反向電勢,改變掃描方向,以相同的速度掃描回到初始電勢,電勢繼續(xù)反向,反復(fù)掃描,記錄下來的電流-電勢曲線稱為循環(huán)伏安線。
循環(huán)伏安法具有操作簡單、獲取信息較多、可進行理論分析等特點,在電化學研究中得到了廣泛的應(yīng)用。通過循環(huán)伏安曲線分析可以得到較多的信息,利用峰值電流進行定量分析,可判斷電極過程的可逆性,對未知的電化學體系進行電化學行為的探討。例如,可以通過陰、陽極峰值電勢差Δφ的絕對值及其隨著掃描速度v的變化對電極過程可逆性進行判斷。
為了測量金屬在溶液中進行電化學反應(yīng)產(chǎn)生的微變電流,可使用循環(huán)伏安法進行測定。將化學阻抗分析儀SE1106中的恒電勢儀接入溶液中,Ag棒作為工作電極作為研究的對象,輔助電極為了是使工作電極上電流暢通,參比電極可以避免溶液本身帶來的極化影響,使用上位機設(shè)定一定周期的鋸齒波來獲取循環(huán)伏安線。
以銀絲在KOH溶液進行電化學反應(yīng)測量循環(huán)伏安曲線為例,學習使用循環(huán)伏安法研究電極電化學行為。銀絲電極在7 mol·L-1KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線如圖1所示,其中電極電勢為型對于同溶液中Hg/HgO電極的電勢,記為φ vs. Hg/HgO。
圖1.電極電勢φ vs. Hg/HgO/V
曲線前半段電流隨電壓緩慢是上升,出現(xiàn)了比較低且平緩的電流峰,這是表面金屬Ag氧化為Ag2O的陽極電流峰。當電勢掃描至0.25V時,曲線繼而出現(xiàn)低而平緩的電流峰,由于Ag具有良好的導(dǎo)電性,反應(yīng)產(chǎn)生的Ag2O膜覆蓋了Ag表面上,導(dǎo)致電極導(dǎo)電性下降,阻礙了反應(yīng)的進行。當電勢掃描至0.65V時,曲線出現(xiàn)了明顯的陽極電流峰, Ag2O反應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)化為電阻率極低的AgO,電阻極化迅速下降,極化電流迅速增大。當電勢掃描至0.8V時,溶液中有氣泡逸出,OH-在電勢作用下產(chǎn)生O2,這時為O2析出的電流。
電勢從1V掃描至0.6V時,開始出現(xiàn)了陰極電流峰,這是AgO還原為Ag2O所至,由于Ag2O的電阻率遠比AgO高,隨反應(yīng)進行出現(xiàn)了較小的陰極電流峰。電勢掃描至0.2V時,出現(xiàn)了第二個陰極電流峰,這是Ag2O還原為Ag所至,此時極化較大,這與AgO導(dǎo)電性很差有關(guān)。電流峰的出現(xiàn),是因為Ag2O逐漸轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電性良好的Ag,迅速改善了電機的導(dǎo)電性,電流上升至很高的數(shù)值。
由此可見,通過循環(huán)伏安曲線可以看出電極上可進行何種電化學反應(yīng),反應(yīng)可能以何種速度進行,反應(yīng)具備什么特征,反應(yīng)可能受到哪些因素影響等,從而探討體系的電化學特性。
因此,在研究一個位置體系時,常常首先采用循環(huán)伏安法進行定性的分析。