河南理工大学 线性电位扫描法
实验九线性电位扫描法测定镍在硫酸介质中的钝化行为
实验九 线性电位扫描法测定镍在硫酸介质中的钝化行为一．实验目的1．掌握准稳态法测定金属钝化曲线的基本方法，测定金属镍在硫酸介质中的钝化曲线及其维钝电流密度和维钝电位值。
2．学会处理电极表面，了解电极表面状态对钝化曲线测量的影响。
二．实验原理在以金属作阳极的电解池中，通过电流时，通常会发生阳极的电化学溶解过程M M +e n n +−⎯⎯→在金属的阳极溶解过程中，其电极电位必须正于其热力学电位（即平衡电位），电极过程才能发生。
这种电极电位偏离其热力学电位的现象称为极化。
当阳极的极化不太大时，溶解速率随着阳极电极电势（电极电位）的增大而增大，这是金属正常的阳极溶解。
但是在某些化学质介中，当阳极电极电势超过某一正值后，阳极的溶解速率随着阳极电极电势的增大反而大幅度地降低，这种现象称为金属的钝化。
研究金属的钝化过程需要测定钝化曲线，通常用恒电位法。
将被研究金属，例如铁、镍、铬等或其合金置于硫酸或硫酸盐溶液中即为研究电极，它与辅助电极（铂电极）组成一个电解池，同时它又与参比电极（甘汞电极）组成原电池，以镍为阳极为例。
其测量装置示意图如图9.1所示，分为两部分，一是研究电极和辅助电极形成的极化回路，由mA 表测量极化电流的大小。
二是参比电极与研究电极形成的电位测量回路。
图9.1 恒电位法测定金属钝化曲线实验装置示意图1—辅助电极；2—研究电极；3—参比电极通过恒电位仪对研究电极给定一个恒电位后，测量与之对应的准稳态电流值I 。
以通过研究电极的电流密度i 的对数lg{i }对超电势η作图，得金属钝化曲线如图9.2所示。
超电势η即为电流密度为i 时的阳极电极电势Ni ()E i 与i =0时的阳极电极电势Ni (0)E 之差为Ni Ni ()(0)E i E η=− (9.1)即22Hg Cl Ni ()()E i E E i =−22Hg Cl Ni (0)(0)E E E =−所以(0)()E E i η=− (9.2)图9.2 金属钝化曲线用控制电位的方法测定的阳极极化曲线如图9.2所示，可以分为四个区域。
线性扫描伏安法实验
实验线性伏安法研究硫酸体系极化行为一．实验目的1. 掌握线性伏安法的基本原理；2.了解上述方法的实验操作和极化曲线的含义。
3.评估析氧和析氢极化的特性。
二、实验内容线性伏安法是以一线性变化电位施加于电解池上，以所得的电流---电极电位曲线为基础的分析和研究方法。
所施加扫描电位与时间的关系为：E=Ei-vt，电流与被测物质浓度c、扫描速度v等因素有关。
本实验是在电解池中注入0.05MH2SO4溶液，插入两个电极（工作电极与辅助电极），阴极将发生还原反应：2H++2e=H2，阳极将发生氧化反应：H2O=1/2O2+2H++2e。
为了测量工作电极的电极电势，需在电解池中加入一个参比电极（通常用甘汞电极），工作电极和参比电极连上电位计可测出电极电势，由于参比电极的电极电势是已知的，故可得到工作电极的电极电势。
实验中以较慢速率连续改变电位（扫描），记录相应的电流值，绘制成图即得极化曲线图，由图可求得极化电极电势。
Ｉ０ E电流－电势图三、实验主要仪器设备和材料1．仪器： ZHDY智能恒电位仪，铂、石墨为工作电极（研究电极），可根据不同需要选用不同工作电极，铂电极为对电极（辅助电极），饱和甘汞电极为参比电极。
2.试剂：硫酸水溶液，试剂为分析纯，使用二次重蒸水。
四、实验方法、步骤1. 在电解池中放入适量硫酸水溶液，插入工作电极、辅助电极和饱和甘汞电极。
然后将恒电位仪的接线分别与相应的电极连接，打开恒电位仪。
2. 测阴极极化曲线：打开电脑“ZHDY智能恒电位仪”程序，点击“设置”菜单中“实验设置”，选择“线性伏安法”，设定初始电位0V，终止电位-0.50V，静止时间为1秒，扫描速度0.002 V∙s-1,采样间隔为1mv，灵敏度为1mA/v，点击“确定”。
再点击“联机”，点“确定”，再点击“开始”菜单，即开始记录线性扫描伏安图，结束后，点“停止”。
保存图形。
然后在“实验设置”中改变扫描速度为0.005 V∙s-1,重复测定一次。
Zn电极阳极极化曲线实验报告
一、实验目的1.掌握阳极极化曲线测试的基本原理和方法；溶液中的阳极极化曲线;2.测定Ｚn电极在1ＭKOH溶液和1MＺｎＣl23．通过实验理解金属电极钝化与活化过程。
二、实验原理线性电位扫描法是指控制电极电位在一定的电位范围内,以一定的速度均匀连续的变化，同时记录下各电位下反应的电流密度,从而得到电位-电流密度曲线，即稳态电流密度与电位之间的函数关系:ｉ=ｆ(ψ）。
特别适用于测量电极表面状态有特殊变化的极化曲线。
如下:如阳极钝化行为的阳极极化曲线。
阳极极化：金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程叫做阳极极化，如下式所示：M ＝Ｍn++ ne 【金属的钝化现象：阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大。
这是正常的阳极溶出。
但当阳极电位正到某一数值时，其溶解速度达到一最大值。
此后阳极溶解速度随着电位变正，反而大幅度的降低，这种现象称为金属的钝化现象。
】线性电位扫描法不但可以测定阴极极化曲线，也可以测定阳极极化曲线，特别适用于测定电极表面状态有特殊变化的极化曲线,如测定具有阳极钝化行为的阳极极化曲线,用线性电位扫描法测得的阳极极化曲线,如下图所示•AB段-----称为活性溶解区;此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随电位改变服从Tafel公式的半对数关系。
•BC段-－---称为钝化过渡区;此时是由于金属开始发生钝化,随着电极电位的正移,金属的溶解速度反而减小了。
•ＣD段－－---称为钝化稳定区；在该区域中金属的溶解速度基本上不随电位二改变;•DＥ段--－-－称为过度钝化区;此时金属溶解速度重新随电位的正移而增大，为氧的析出或者高价金属离子的生成。
从阳极极化曲线上可以得到下列参数：c点对应的电位---临界钝化电位;c点对应的电流—临界钝化电流密度；而这些参数恒电流法是测不出来的。
影响金属钝化的因素很多，包括溶液的组成、金属的组成和结构以及外界条件。
金属Ｚn是中性锌锰电池、碱性锌锰电池和锌-空气电池等的负极材料,其电化学行为受到广泛的研究。
线性电位扫描法测定镍在硫酸介质中的钝化行为
电流I /A
电压E/V
实验记录表
实验现象说明：
由图中图像可知随着CL 离子的加入，钝化所需的电压变大，钝化便的困难，由此可知CL 离子障碍了钝化的进行。
思考题：
1.测定镍阳极极化曲线时，在测量前，为什么电极在进行打磨后，还需进行阴极极化处理？答：在测量前，对电极进行打磨只能去掉钝化后镍电极表面上凸起的氧化层，对凹进的部分不起作用，对电极进行阴极极化处理是对镍电极进行电化学活化，可进一步去掉钝化后镍电极表面上的氧化层，使其重新活化。
2.在阳极极化曲线测量中，如果扫描速率改变，测得的钝化电流和钝化电势有无变化？为什么？
答：如果改变扫描速率，即电极电势变化太快，使得电极表面来不及建立稳态就往下进行测得的E钝和i钝会有变化。
如果扫描速率过慢，测得的E钝和i钝应无太大变化，只是测量时间太长。
3．在阳极极化曲线测量中，当溶液pH发生改变时，镍电极的钝化行为有无改变？
答：当溶液pH发生改变时，镍电极的钝化行为有变化。
4.在阳极极化曲线测量线路中，参比电极和辅助电极各起什么作用？
答:在阳极极化曲线测量线路中,参比电极与工作电极构成测量回路，对工作电极的电势进行测量和控制，回路中没有极化电流流过，只有极小的测量电流，不会对工作电极的极化状态，参比电极的稳定性造成干扰。
辅助电极与工作电极构成极化回路，极化电路中流过极化电流，并对极化电流进行测量和控制。
线性电势扫描法测试金属镍的阳极极化曲线1实验目的2实验原理线性
1实验目的2实验原理线性电势扫描法是指在一定的范围内控制施加在WE 上的电极电势，以一定的速度均匀变化，同时记录对应电极电势下电化学反应的响应电流密度，以电极电势为自变量，电流密度为因变量，用电极电势-电流密度曲线表示实验结果，即极化曲线。
线性电势扫描法可测定电极的阴极和阳极极化曲线。
用该法测得的阳极钝化曲线常为下图所示。
E E 钝化 ii 钝化 图1 线性电势扫描法得到的金属阳极钝化曲线示意图上图中整条曲线分为四个区域：（1）AB 区间为活性溶解区。
金属发生阳极溶解，阳极电流密度与电极电势（或超电势）符合Tafel 规律；（2）BC 区间为过渡钝化区。
由于金属表面开始发生钝化，随着电极电势逐渐正移，金属的溶解速率迅速减小；（3）CD 区间为钝化稳定区。
由于金属表面已经覆盖一层致密的钝化膜，金属的溶解速度保持在一个比较小的水平，溶解速率基本不随电极电势的正移而改变；（4）DE 区间为过度钝化区。
由于在高极化状态下，电极表面发生了析氧反应或生成更高价金属离子的反应，电流密度随电极电势的正移而增大。
从极化曲线可以看出，具有钝化现象的阳极极化曲线的一个重要特点是：在BCD 区间，同一电流密度值下对应几个不同的电极电势值。
这种极化曲线是无法用恒电流法进行测量的。
可见，线性电势扫描法是研究金属钝化现象的重要方法。
影响金属钝化的因素很多。
主要有：（1）金属的组成和结构。
各种金属的钝化能力不同，即所谓的“化学因素”。
在金属中引入其它金属成分，可以改变金属的钝化行为。
如，铁中掺入镍、铬可促进钝化，并提高钝化状态的稳定性。
（2）电解质溶液的组成。
溶液的pH 值、卤素离子和氧化性阴离子对金属的钝化行为存在显著影响，即所谓“溶液因素”。
在酸性和中性溶液中，随着pH 值的增大，有利于钝化的形成。
卤素离子，特别是Cl -离子则阻碍金属的钝化，并能破坏金属的钝态。
有些氧化性的阴离子，如NO 2-等，则可促进金属进入钝态。
（3）其它因素。
线性电位扫描仪使用步骤
线性电位扫描仪使用步骤线性电位扫描仪（Linear Potentiostat）是一种广泛应用于电化学领域的仪器，用于测量物质在电极表面的电位和电流变化情况。
它在电化学分析、电化学测试、腐蚀研究等方面具有重要的应用价值。
为了正确地使用线性电位扫描仪并获取准确可靠的实验结果，以下是一些使用步骤的指导。
1. 准备工作在开始使用线性电位扫描仪之前，应确保所需的设备和试剂已经准备完备。
设备方面，需要检查扫描仪的电源是否连接良好，电极是否安装正确。
试剂方面，根据实验要求准备好溶液，并确保其浓度和配比符合要求。
另外，还需要准备好实验所需的玻璃仪器、磁力搅拌器以及实验中可能用到的其他辅助设备。
2. 样品处理根据实验要求，进行样品的预处理工作。
例如，如果需要对电极进行表面修饰或清洗，可以使用适当的方法，如电解沉积、电化学活化或溶液浸泡等。
确保样品表面干净整洁，以获得准确的实验数据。
3. 连接线路将线性电位扫描仪与电极和参比电极相连。
首先，将电极连接到扫描仪的电极接头上，确保连接牢固。
接下来，将参比电极连接到扫描仪的参比接头上，同样确保连接良好。
注意，连接线路时应避免电极接触到任何可能导致干扰的材料，如金属、水或有机物。
4. 设置参数通过线性电位扫描仪的操作界面，设置实验所需的参数。
这些参数包括扫描电压范围、扫描速率、采样频率等。
根据具体实验要求，设置合适的参数以确保实验的稳定和可靠性。
5. 开始扫描确认参数设置无误后，可以开始进行电位扫描实验。
在实验过程中，观察电极电位和电流的变化情况，并记录实验数据。
根据需要，可以在扫描过程中进行时间、电压或电流的控制和记录。
6. 实验结束实验完成后，及时关闭线性电位扫描仪和相关设备。
将电极和参比电极从扫描仪中拆除，并进行适当的清洗和保养工作。
同时，保存好实验数据和记录，以备后续分析和研究。
以上是线性电位扫描仪的使用步骤。
通过正确的操作和合理的实验设计，可以获得准确可靠的电化学实验数据，并为相关研究提供有力的支持。
电化学测试锂离子电池稳态测量技术-线性电势扫描伏安法（LSVCV）
电化学测试锂离子电池稳态测量技术-线性电势扫描伏安法
（LSVCV）
锂离子电池电极材料在电池充放电过程中一般经历以下几个步骤：①溶剂化的锂离子从电解液内迁移到电解液/固体电极的两相界面；②溶剂化的锂离子吸附在电解液/固体电极的两相界面；③去溶剂化；④电荷转移，电子注入电极材料的导带，吸附态的锂离子从电解液相迁移至活性材料表面晶格；⑤锂离子从活性材料表面晶格向内部扩散或迁移；⑥电子从集流体向活性材料的迁移。
线性电势扫描法在电化学测量中有着广泛的应用，常用于：①判断电极体系中可能发生的电化学反应；②判断电极过程的可逆性；③判断电极反应的反应物来源；
④研究电极活性物质的吸脱附过程。
锂离子电池基础科学问题（Ⅻ Ⅰ）——电化学测量方法. 凌仕刚，吴娇杨，张舒，高健，王少飞，李泓.
Das S R，Majumder S B，Katiyar R S. Kinetic analysis of the Li ionintercalation behavior of solution derived nano-crystalline lithiummanganate thin films[J]. Journal of Power Sources，2005，139：261-268.
Tang S B，Lai M O，Lu L. Li-ion diffusion in highly (003) oriented LiCoO2 thin film cathode prepared by pulsed laser deposition[J]. Journal of Alloys and Compounds，2008，449（1-2）：300-303.。
线性电位扫描法测量交换电流密度
实验9：线性电位扫描法测量交换电流密度一、实验目的1. 理解交换电流密度的意义；2. 掌握线性电位扫描法测量交换电流密度。
二、实验原理设电极反应为：O e R +当电极电位等于平衡电位时，电极上没有净反应发生，即没有宏观的物质变化和外电流通过，但是在微观上仍有物质交换。
也就是说，电极上的氧化反应和还原反应处于动态平衡，即：c a i i =因为平衡电位下的还原反应速度与氧化反应速度相等，在电化学上用一个统一的符号i o 来表示这两个反应速度。
这里i o 就叫作交换电流密度或简称交换电流。
它表示平衡电位下氧化反应和还原反应的绝对速度。
也就是说，i o 就是在平衡条件下，氧化态粒子和还原态粒子在电极/溶液界面的交换速度。
所以，所以交换电流密度本身就表征了电极反应在平衡态下的动力学特征，它的大小与电极反应的速率常数、电极材料和反应物质的浓度等因素有关。
在低过电位下，过电位η（V ）与极化电流密度i (A)之间呈线性关系，即oRTi nFi η=- 可见，RT/nF i o 具有电阻的量纲，常被称为电荷转移电阻Rct （或R r ）。
它相当于电荷在电极/溶液界面传递时单位面积上的等效电阻。
当η ≤ 10 mV 时，拟合极化曲线中的线性部分，根据拟合直线的斜率可以求得Rct ，再根据上述公式求得交换电流密度i o (A/cm 2）。
三、实验器材CHI电化学工作站；铂片电极；Hg/Hg2SO4参比电极；玻碳电极；三口电解池；0.1 mol/L VO2+ + 0.1 mol/L VO2+ +3 mol/L H2SO4溶液；程控水浴锅四、实验步骤1. 预处理电极，用去离子水沾湿玻碳电极后在砂纸上打磨至表面光亮，然后用去离子水冲洗干净后用滤纸擦干。
打磨铂电极至光亮，用浓盐酸洗液浸泡后擦干.2. 打开仪器和电脑，连接仪器和电极。
记录电极开路电位其值为0.4083V，待开路电位稳定后，选择“线性电位扫描”方法。
电极电位为0.4083V，从0.3878V的电位开始扫描，终止电位是0.4478V，扫描速率是0.3mV/s，自动灵敏度；4. 待测量结束后，保存数据，将电解槽放入50o C水浴锅中，重复步骤2（此时测得开路电位为0.4088V）；5. 关闭电脑和仪器，清洗电极与电解槽。
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i跃 2 d
i跃 2
dt
§6.4 小幅度三角波扫描测定Rr、Cd
6.4.2 RL→0，在有电化学反应发生的电位范围内求Cd、Rr
在有电化学反应且RL及浓差极化可 忽略时，电极等效为Cd和Rr并联：
φ
B
Cd
∆φ
Rr
A
C
t i
B
A'
C'
∆i
B'
A
C
t
此时，三角波电势控制信号和相应 的电流影响曲线如上图所示：
平0
RT ln aOs nF aRs
平0
RT ln nF
fO fR
cOs
c
s R
0' 平
RT ln cOs nF cRs
式中，
0' 平
0 平
RT nF
ln
fO fR
（fO、fR分别为反应粒子O和R的活度系数），通过复杂的数学解析方
法，最终可推得峰值电流Ip
I p 2.69 105 n3 2SDO1 21 2CO0
∆φ
A
C
i B
A'
∆i A
B'
ic
d dt
Cd
Cd
t C'
C t
( d dt
) A至B
d dt
B至C
Cd
d dt
A至B
d dt
B至C
C
d
B T2
A
C T2
B
4Cd T
所以，Cd T4i跃（式中T为三角波周期）
又因为
d 2 dt T 2 T
所以
Cd
第六章 线性电势扫描法（伏安法）
控制研究电极的电势，按线性规律变化，即 d ，同时记
dt
录 i ~ t 、i ~ 曲线，不受电解池阻抗的影响。
线性电势扫描法也是暂态法的一种，ν对暂态极化曲线的形 状和数值影响较大。 只有ν足够慢时，才可得到稳态极化曲线。
§6.1 线性扫描的三种形式
A. 单程线性电势扫描
§6.2 线性电位扫描的特点
6.2.2 扫描速度对响应曲线的影响
i υ
φ(t)
§6.2 线性电位扫描的特点
6.2.3 双电层充电电流存在始终
i ic ir
ic
dQ
d
Cd
d
dt
dCd dt
d
dt
0
时，ic
0
，i
ir
§6.3 主要研究内容
6.3.1 小幅度应用
测量电化学测量：Rr、Cd。
6.3.2 大幅度应用
A. 定量分析； B. 判断反应的可逆性； C. 反应机理； D. 研究吸附现象； E. 工艺应用。
§6.4 小幅度三角波扫描测定Rr、Cd
6.4.1 RL→0，Rr→∞，测定Cd
三角波电势控制信号和相应的电流 影响曲线如下图所示：
所以电流波形如左图所示。 iA' iA iB iB'
φ
B
Cd
E. 某电位下测Rr、Cd是近似值。
§6.5 单程线性扫描（浓差极化存在的情况）
6.5.1 扩散控制的可逆体系
考虑在平面电极上进行下列反应
O ne
R
解Fick第二定律[
c t
D
2c]时，
x 2
初始条件
cO (x, o) cO0 cR (x, o) 0
而电极表面上的边界条件为：
边界条件为
cO (, t) cO0 cR (,t) 0
§6.1 线性扫描的三种形式 §6.2 线性电位扫描的特点 §6.3 主要研究内容 §6.4 小幅度三角波扫描测定Rr、Cd §6.5 单程线性扫描（浓差极化存在的情况） §6.6 线性扫描伏安法的应用 §6.7 三角波扫描（循环伏安法） §6.8 三角波扫描研究吸附现象和电极反应 §6.9 循环伏安法测定步骤
6.4.4 实验注意事项
A. 适于任意电极（平板与多孔电极）；
B. 可在有电化学反应发生的电位范围内测Cd；
① 控制电势阶跃法测Cd，Rr→∞，i=ic；
② 控制电流阶跃法测Cd，Rr→∞，τ ↑，易测阶跃瞬间曲线的斜率；
C.
Cd
i跃 2
，υ
↑，∆i跃
↑，故选择高扫速；
D. RL→0，电极表面无高阻膜；
6.2.1 i ~ t曲线会出现“峰”
峰前：
① i随过电位变化而增大，故 ir 增大
φ φ1
φt t
t 1 t t
过电位变化起主导作用，电极反应速率随所 加电势的增加而变大（ a b log i ）。
② 随i增加，反应物浓度下降，生成物浓度 增加，使 ir 下降。
峰后：
反应物流量下降 起主导作用，随 着时间的延长， δ增大，扩散流 量下降，故电流 下降。
DO
cO x
x0
DR
cR x
x0
0
最后一式来自粒子流的连续性。当O，R均在溶液相中溶解时，稳态下O扩散达 到电极表面的速度必然与R的扩散流失速度相等。
§6.5 单程线性扫描（浓差极化存在的情况）
6.5.1 扩散控制的可逆体系
根据电极反应可逆的假设，电极表面各种反应离子的浓度与电极电位的关系可用Nernst 方程表示：
（25℃）
式中 Ip：峰值电流，A； n：电极反应的得失电子数； S：电极的真实表面积，cm2；
DO：反应物的扩散系数，cm2/s； CO0 ：反应物的初始浓度，mol/cm3； υ：扫描速率，V/s。
§6.5 单程线性扫描（浓差极化存在的情况）
6.5.1 扩散控制的可逆体系
如果实验测得的伏安曲线上电流峰较宽，峰值电位φp就难以准确测定，所以常 测定半峰电位φp/2，即相应于峰高的一半电流(I=Ip/2)时的电位。
I Ip
Ip 2
p 1 p
φ
22
对于阴极极化：
p
2 1 2
1.09 RT nF
28.0 n
φ
B. 三角波扫描
φ
t
t
C. 连续三角波扫描 φ
t
§6.2 线性电位扫描的特点
6.2.1 i ~ t曲线会出现“峰”
i ~ t曲线如下图所示：
一方面：电极反应速率随φ增加而增加；
i
另一方面：随着反应的进行，电极表 面反应物的浓度下降，扩散流量逐渐 下降，相反的作用共同造成了电流峰。
φ(t)
§6.2 线性电位扫描的特点
Cd的计算公式同前：
Cd
Ti跃 4
或
Cd
i跃 2 d
i跃 2
dt
Δi为电流阶跃的幅度(即 i跃 iA' iA iB iB' ) ，Rr的计算公式为
Rr
i斜
iB iA'
iB' iC
§6.4 小幅度三角波扫描测定Rr、Cd
6.4.3 三参数同时存在时
当电极上存在电化学反应，且溶液
电阻不可忽略时，电极等效电路如
下图所示：
φ
B
∆φ
A
C
பைடு நூலகம்
Cd
RL Rr
t i
B
A'
C'
∆i
B'
A
C
t
此时，三角波电势控制信号和相应 的电流影响曲线如上图所示：
可利用作图外推得到A‘，B’，C‘等点，Cd 计算同前，即：
Cd
Ti跃 4
或
Cd
i跃 2 d
i跃 2
dt
但Rr计算公式为
Rr
i斜
RL
§6.4 小幅度三角波扫描测定Rr、Cd