【摘要】 循环伏安法是以线性扫描伏安法的电位扫描到头后,再回过头来扫描到原来的起始电位值,所得的电流—电压曲线为基础的分析方法。扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描(电压上升部分)为去极化剂在电极上被还原的阴极过程,则后半部扫描(电压下降部分)为还原产物重新被氧化的阳极过程。一次三角波扫描完成一个还原过程和氧化过程的循环,故称为循环伏安法。
- 一. 循环伏安曲线(CV)
【原理简介】
循环伏安法是以线性扫描伏安法的电位扫描到头后,再回过头来扫描到原来的起始电位值,所得的电流—电压曲线为基础的分析方法。扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描(电压上升部分)为去极化剂在电极上被还原的阴极过程,则后半部扫描(电压下降部分)为还原产物重新被氧化的阳极过程。一次三角波扫描完成一个还原过程和氧化过程的循环,故称为循环伏安法。
在一个典型的循环伏安实验中,工作电极一般为浸在溶液中的固定电极。为了尽可能降低欧姆电阻,最好采用三电极系统。在三电极系统中,电流通过工作电极和对电极。工作电极电位是以一个分开的参比电极(如饱和甘汞电极,SCE)为基准的相对电位。在循环伏安测试实验中,工作电极的电位以10 mV/s 到 200 mV/s 的扫描速度随时间线性变化(Fig.1a),在此同时记录在不同电位下的电流(Fig.1b)。
【实验原理】
若电极反应为O+e →R,反应前溶液中只含有反应粒子O且O、R在溶液均可溶,控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势 正得多的起始电势ji处开始势作正向电扫描,电流响应曲线则如图所示。当电极电势逐渐负移到 φ平 0 附近时,O开始在电极上还原,并有法拉第电流通过。由于电势越来越负,电极表面反应物O的浓度逐渐下降,因此向电极表面的流量和电流就增加。当O的表面浓度下降到近于零,电流也增加到最大值Ipc,然后电流逐渐下降。当电势达到jr后,又改为反向扫描。随着电极电势逐渐变正,电极附近可氧化的R粒子的浓度较大,在电势接近并通过 φ平 0 时,表面上的电化学平衡应当向着越来越有利于生成R的方向发展。于是R开始被氧化,并且电流增大到峰值氧化电流Ipa,随后又由于R的显著消耗而引起电流衰降。整个曲线称为“循环伏安曲线”。如图2所示:
【应用】
基于CV曲线的电容器容量计算,可以根据公式(1)计算。
( ν为扫速,单位V/s) (1)
从式(1)来看,对于一个电容器来说,在一定的扫速下做CV测试。充电状态下,通过电容器的电流i是一个恒定的正值,而放电状态下的电流则为一个恒定的负值。这样,在CV图上就表现为一个理想的矩形。由于界面可能会发生氧化还原反应,实际电容器的CV图总是会略微偏离矩形。因此,CV曲线的形状可以反映所制备材料的电容性能。对双电层电容器,CV曲线越接近矩形,说明电容性能越理想;而对于赝电容型电容器,从循环伏安图中所表现出的氧化还原峰的位置,我们可以判断体系中发生了哪些氧化还原反应。