电化学工作站的原理与应用

1.电化学工作站的基本概述

电化学工作站在电池检测中占有重要地位，它将恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合，既可以做三种基本功能的常规试验，也可以做基于这三种基本功能的程式化试验。在试验中，既能检测电池电压、电流、容量等基本参数，又能检测体现电池反应机理的交流阻抗参数，从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。

图1 部分电化学工作站列表

图2 1为工作电极，2为参比电极，3为对电极

1.1 三电极体系

研究电极上电子的运动是电化学反应的基础，为了分别对电池或电解池的阴极，阳极发生的反应进行观察需用到三电极体系。

加入的电极叫做参比电极，它的作用是为了测量进行这些反应的电极电位的一个基准电极。被测定的电极叫做工作电极，与工作电极相对的电极叫做辅助电极。

在三电极法中为了能够在测定研究电极和参比电极之间电压同时，又能任意调节研究电极的电位，最理想的设备为具有自动调节功能的恒电位仪。

1.2 恒电位仪的基本概念

恒电位仪是电化学测试中最重要的仪器，其性能的优良直接影响电化学测试结果的准确度。由它控制电极电位为指定值，以达到恒电位极化的目的。若给以指令信号，则可使电极电位自动跟踪指令信号而变化。

2.电化学测试简述

电化学测定方法是将化学物质的变化归结为电化学反应，也就是以体系中的电位、电流或者电量作为体系中发生化学反应的量度进行测定的方法。包括电流-电位曲线的测定;电极化学反应的电位分析，电极化学反应的电量分析;对被测对象进行微量测定的极谱分析;交流阻抗测试等。

2.1 常用的电化学测试方法技术

电流分析法(也称为计时安培法)、差分脉冲安培法(DPA)、差分脉冲伏安法(DPV)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、常规脉冲伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)等。

2.2 电化学测试方法的优点

1) 简单易行。可将一般难以测定的化学参数直接变换成容易测定的电参数加以测定。

2) 灵敏度高。因为电化学反应是按法拉第定律进行的，所以，即使是微量的物质变化也可以通过容易测定到的电流或电量来进行测定。

3) 实时性好。利用高精度的特点，可以检测出微反应量，并对其进行定量。

3.电化学工作站的基本原理及其应用

3.1 交流阻抗的原理及应用

交流阻抗方法是用小幅度交流信号扰动电解池，并观察体系在稳态时对扰动的跟随的情况，同时测量电极的交流阻抗，进而计算电极的电化学参数。从原理上来说，阻抗测量可应用与任何物理材料，任何体系，只要该体系具有双电极，并在该双电极上对交流电压具有瞬时的交流电流相应特性即可。

交流阻抗谱(EIS)在金属表面钝化方面的应用：要确定某钝化工艺中Fe2+浓度对钝化效果的影响，可以在不同的Fe2+浓度下测试出交流阻抗曲线，从中筛选出最合适的工况。表明浓度1比浓度2、浓度3的成膜工艺要好，因此可以选择浓度1作为该参数的最佳条件。

图3 双氧化钝化工艺中，在不同Fe2+浓度下的交流阻抗曲线

3.2 循环伏安法原理

循环伏安法是在一定电位下测量体系的电流，得到伏安特性曲线。根据伏安特性曲线进行定性定量分析。如果施加的电位为等腰三角形的形式加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极方向扫描，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，便产生氧化波，该法称为循环伏安法。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度就不同，对称性也较差。

从图4中可以看出氧化还原峰很对称，阴极峰电流与阳极峰电流近似相等，且随着扫描速率的增加，两峰均没发生位移只是峰高增大。这些说明[IrC16 ] 2-与[IrCl6 ]3- 之间的氧化还原反应属于可逆反应。

图4 0.5mol/L [IrC16 ] 2-在1.0 mol/L HCl溶液中的CV曲线

在电路表面镀层的应用：

电偶电流曲线上的电偶电流的大小实际上反映的是瞬间的电路板表面所镀的金属沉积的速度，也就是直接反映反应的速度。

图5 铜-锡电偶电流随时间变化曲线

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