電化學工作站的原理與應用

1.電化學工作站的基本概述

圖1.瑞士萬通 PGSTAT101

電化學工作站在電池檢測中佔有重要地位，它將恆電位儀、恆電流儀和電化學交流阻抗分析儀有機地結合，既可以做三種基本功能的常規試驗，也可以做基於這三種基本功能的程式化試驗。在試驗中，既能檢測電池電壓、電流、容量等基本引數，又能檢測體現電池反應機理的交流阻抗引數，從而完成對多種狀態下電池引數的跟蹤和分析。

圖2.部分電化學工作站列表

圖3. 1為工作電極，2為參比電極，3為對電極

1.1 三電極體系

研究電極上電子的運動是電化學反應的基礎，為了分別對電池或電解池的陰極，陽極發生的反應進行觀察需用到三電極體系。

加入的電極叫做參比電極，它的作用是為了測量進行這些反應的電極電位的一個基準電極。被測定的電極叫做工作電極，與工作電極相對的電極叫做輔助電極。

在三電極法中為了能夠在測定研究電極和參比電極之間電壓同時，又能任意調節研究電極的電位，最理想的裝置為具有自動調節功能的恆電位儀。

1.2 恆電位儀的基本概念

恆電位儀是電化學測試中最重要的儀器，其效能的優良直接影響電化學測試結果的準確度。由它控制電極電位為指定值，以達到恆電位極化的目的。若給以指令訊號，則可使電極電位自動跟蹤指令訊號而變化。

2.電化學測試簡述

電化學測定方法是將化學物質的變化歸結為電化學反應，也就是以體系中的電位、電流或者電量作為體系中發生化學反應的量度進行測定的方法。包括電流-電位曲線的測定；電極化學反應的電位分析，電極化學反應的電量分析；對被測物件進行微量測定的極譜分析；交流阻抗測試等。

2.1 常用的電化學測試方法技術

電流分析法（也稱為計時安培法）、差分脈衝安培法（DPA）、差分脈衝伏安法（DPV）、迴圈伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）、常規脈衝伏安法（NPV）、方波伏安法（SWV）等。

2.2 電化學測試方法的優點

1） 簡單易行。可將一般難以測定的化學引數直接變換成容易測定的電引數加以測定。

2） 靈敏度高。因為電化學反應是按法拉第定律進行的，所以，即使是微量的物質變化也可以透過容易測定到的電流或電量來進行測定。

3） 實時性好。利用高精度的特點，可以檢測出微反應量，並對其進行定量。

3.電化學工作站的基本原理及其應用

3.1 交流阻抗的原理及應用

交流阻抗方法是用小幅度交流訊號擾動電解池，並觀察體系在穩態時對擾動的跟隨的情況，同時測量電極的交流阻抗，進而計算電極的電化學引數。從原理上來說，阻抗測量可應用於任何物理材料，任何體系，只要該體系具有雙電極，並在該雙電極上對交流電壓具有瞬時的交流電流相應特性即可。

交流阻抗譜（EIS）在金屬表面鈍化方面的應用：要確定某鈍化工藝中Fe2+濃度對鈍化效果的影響，可以在不同的Fe2+濃度下測試出交流阻抗曲線，從中篩選出最合適的工況。表明濃度1比濃度2、濃度3的成膜工藝要好，因此可以選擇濃度1作為該引數的最佳條件。

圖4. 雙氧化鈍化工藝中，在不同Fe2+濃度下的交流阻抗曲線

3.2 迴圈伏安法原理

迴圈伏安法是在一定電位下測量體系的電流，得到伏安特性曲線。根據伏安特性曲線進行定性定量分析。如果施加的電位為等腰三角形的形式加在工作電極上，得到的電流電壓曲線包括兩個分支，如果前半部分電位向陰極方向掃描，產生還原波，那麼後半部分電位向陽極方向掃描時，便產生氧化波，該法稱為迴圈伏安法。如果電活性物質可逆性差，則氧化波與還原波的高度就不同，對稱性也較差。

從圖4中可以看出氧化還原峰很對稱，陰極峰電流與陽極峰電流近似相等，且隨著掃描速率的增加，兩峰均沒發生位移只是峰高增大。這些說明［IrC16 ］ 2-與［IrCl6 ］3- 之間的氧化還原反應屬於可逆反應。

圖5. 0.5mol/L [IrC16 ] 2-在1.0 mol/L HCl溶液中的CV曲線

在電路表面鍍層的應用：

電偶電流曲線上的電偶電流的大小實際上反映的是瞬間的電路板表面所鍍的金屬沉積的速度，也就是直接反映反應的速度。

圖6. 銅-錫電偶電流隨時間變化曲線