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電化學中的三電極體系及選擇標準

來源:阿美特克科學儀器部-普林斯頓及輸力強電化學   2017年03月20日 09:16  
  電解或電池體系都是二電極體系,只有正負極,那為什么在電化學測試過程中要選擇三電極體系呢?其原因是在電化學測試過程中,我們需要研究的是單個電極(即工作電極),如果選擇二電極體系,那我們就默認把對電極(又稱為輔助電極)作為參考(一般所說的電極電勢都是相對電極電勢),而事實上一旦體系中有電流通過,對電極就會發生極化,導致電位的變化,這樣工作電極所測到的電位就不準了。選擇可逆性高的電極作為對電極不就行了嗎?確實,如果有理想可逆電極的話或許可以,但現實是一般選用的參比電極只能在電流很小的情況下才是可逆的,而且二電極體系還存在電流流過時溶液電壓降的問題,因此三電極體系顯然是。工作電極和對電極構成回路,對電極只是起到電流導通的作用,而參比電極用來作為測量或施加工作電極電位的基準,因此工作電極的電位也就是相對于參比電極的電勢了。
  如上所述,三電極體系包括工作電極、對電極和參比電極,那么它們的選擇標準又是什么呢?下面我們就來詳細談一談。
  1.工作電極
  一般的工作電極需滿足以下三個條件:
  ①所研究的電化學反應不會因電極自身所發生的反應而受到影響,并且能夠在較大的電位區域中進行測定。
  ②電極必須不與溶劑或電解液組分發生反應。
  ③電極面積不宜太大,電極表面是均一平滑,且能夠通過簡單的方法進行表面凈化。
  常見的“惰性”固體電極有玻碳、鉑、金、銀、鉛、導電玻璃(FTO,ITO等)。常用的液體電極有液態汞。采用固體電極時,為了保證實驗的重現性,需注意建立合適的電極預處理步驟。
  2.輔助電極
  輔助電極也叫對電極,其作用是和工作電極組成一個串聯回路,只起到導電的作用。
  在電化學研究中經常選用性質比較穩定的材料,比如鉑或者石墨。(在需要長時間電化學實驗的體系中選擇石墨電極,因為zui近的很多文獻表明,當選用Pt做對電極時,長時間的測試往往會使Pt溶解,工作電極在掃描的過程中會沉積Pt,從而可能會影響工作電極的活性)
  為了減少輔助電極極化對工作電極的影響,輔助電極本身的電阻要小,并且不易極化,其面積通常要求大于工作電極。其原因是在相同的電流下,如果電極面積大,那么電流密度小,根據B-V方程,其過電位小,極化小,因此電化學工作站的靈敏度高,干擾小。反過來說,當工作電極的面積非常小時,極化電流引起的輔助電極的極化可以忽略不計,即輔助電極的電勢在測量中始終穩定,此時輔助電極可以作為測量回路中的電勢基準,即可作為參比電極。例如,研究微電極時,可用二電極體系就可以完成測量。
  3.參比電極
  一般的工作電極需滿足以下三個條件:
  ①電極電勢已知且穩定,重現性好的可逆電極。即電極過程的交換電流密度相當高,是不極化或難極化電極,因此能迅速建立熱力學平衡電位,其電極電勢符合Nernst方程。
  ②參比電極內的電解液不與電解池中的電解液或相關物質反應。
  ③電極電位的溫度系數小。
  ④參比電極中的電解液離子滲透到溶液中不會影響工作電極的反應。
  常用的參比電極有:飽和甘汞電極(SCE)、Ag/AgCl電極、可逆氫電極(RHE)、Hg/HgO電極、Hg/Hg2SO4電極等。

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