循环伏安法
循环伏安法
反应可逆性的判断
对一个可逆反应，峰电位与扫描速度和浓度无关。 Epa与Epc 之差 E p E pa E pc 也可用来判断电极反应的可逆程度。
E p E pa E pc
2.3RT 59 mV nF n
(at 25°C)
对于不可逆体系， Δ Ep > 59/n(mV), ipa / ipc < 1。 ΔEp越大， 阴阳峰电流比值越小，则该电极体系越不可逆。对于不可逆电 极电程来说，反向电压扫描时不出现阳极波。
（mol•dm-3），υ为扫描速率（V•s－1）。
（2）│Ipc│＝│Ipa│，即│Ipc / Ipa│＝1，并与电势扫描 速度υ无关。
循环伏安法实验原理
（3）Δp＝59/n（mV），并pc， pa与扫描 速度υ和无关，为一定值。 其中（2）与（3）是扩散传质步骤控制的 可逆体系循环伏安曲线的重要特征，是检测可 逆电极反应的最有用的判据。
循环伏安法实验原理
根据循环伏安曲线图中峰电流Ip、峰电势及峰电势差和扫描速率 之间的关系，可以判断电极反应的可逆性。当电极反应完全可逆
时，在25℃下，这些参数的定量表达式有：
（1）Ipc＝2.69×105n3/2D01/2υ1/2 (A·cm-2) [1]
循环伏安法实验原理
即Ipc与反应物O的本体浓度成正比，与υ1/2成正比。其 中：DO为O的扩散系数（cm2•s-1），C为O的本体浓度
峰电流的计算
可逆反应的线性扫描的峰电流ip可有以下Randles-Sevcik方程给出：
i p kn AD cv
3/2 1/ 2
1/ 2
A- 电极面积 D - 扩散系数 c- 浓度 n- 交换电子数 v - 扫描速率 k - Randles-Sevcik 常数(2.69*105 As/V m mol)
循环伏安及能级计算
实验设备与操作
01
3. 设置实验参数，如扫描速率、起始和终点电位等；
02
4. 开始实验，记录电流随电位变化的曲线；
03
5. 分析实验数据，得出结论。
应用领域与限制
应用领域
循环伏安法广泛应用于电化学反应机理研究、电极过程动力学参数测定、电催化剂活性评价等方面。
限制
循环伏安法与光电子能谱的 联用
将循环伏安法与光电子能谱相结合，可以获得电极 材料的光电性能和能级结构等信息。
循环伏安法与扫描隧道显 微镜的联用
通过将循环伏安法与扫描隧道显微镜相结合 ，可以实现原子尺度的电化学性能表征和调 控。
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分子轨道计算需要输入分子的 几何结构和总电荷数、总自旋 磁矩等参数，输出分子轨道能 量和波函数等信息。
电子跃迁能级差计算
01
电子跃迁能级差是指电子从某一能级跃迁到另一能级所需的能 量差值。
02
电子跃迁能级差可以通过分子轨道计算结果进行计算，也可以
通过实验测量获得。
电子跃迁能级差对于理解分子的电子结构和性质具有重要意义，
04
量子力学方法可以精确地描述电子的运动状态，但计 算量大；分子力学方法则可以大大简化计算过程，但 精度相对较低。
03
循环伏安曲线分析
氧化还原峰的识别
氧化峰
在循环伏安曲线上，氧化峰表现 为阳极电流随电位增加而增加的 峰，通常对应于电极材料发生氧 化反应的电位区间。
还原峰
还原峰表现为阴极电流随电位增 加而增加的峰，通常对应于电极 材料发生还原反应的电位区间。
电化学能源转换与储存
燃料电池
通过循环伏安法研究燃料电池的电化学反应过程，优化电极材料 和催化剂，提高电池性能和稳定性。
循环伏安法定义+原理+参数设置
一、循环伏安法(Cyclic Voltammetry)一种常用的电化学研究方法。
该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。
根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。
常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。
对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。
本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。
1．基本原理如以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，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，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。
因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流—电压曲线称为循环伏安图。
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。
循环伏安法中电压扫描速度可从每秒种数毫伏到1伏。
工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。
2．循环伏安法的应用循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。
但该法很少用于定量分析。
（1）电极可逆性的判断循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。
若反应是可逆的，则曲线上下对称，若反应不可逆，则曲线上下不对称。
（2）电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产物、电化学—化学耦联反应等,对于有机物、金属有机化合物及生物物质的氧化还原机理研究很有用。
3、循环伏安法的用途(1)、判断电极表面微观反应过程(2)、判断电极反应的可逆性(3)、作为无机制备反应“摸条件”的手段(4)、为有机合成“摸条件”(5)、前置化学反应（CE）的循环伏安特征(6)、后置化学反应（EC）的循环伏安特征(7)、催化反应的循环伏安特征二、循环伏安法相关问题：1、利用循环伏安确定反应是否为可逆反应(一般这两个条件即可)①.氧化峰电流与还原峰电流之比的绝对值等于1.[有时对同一体系，扫描速率不同也会在一定程度上影响其可逆性的一般而言，扫描速度对峰电位没有影响，但扫描速率越大其电化学反应电流也就越大.]②.氧化峰与还原峰电位差约为59/n mV, n为电子转移量(温度一般是293K).[但是一般我们实验时候不是在这个温度下，因此用这个算是有误差的，一般保证其值在100mv以下都算合理的误差.]2、判断扩散反应或者是吸附反应：改变扫描速率，看峰电流是与扫描速率还是它的二次方根成正比。
(完整版)循环伏安法
i p 2.69105 n3/ 2D1/ 2v1/ 2 Ac
n为电子转移数；D为被测物质的扩散系数，v为扫描速度，A 为电极面积，c为被测物质的浓度
2. 峰电位方程式
RT p 1/ 2 1.11 nF
+：氧化波 -：还原波
三、应用
(一) 判断电极过程的可逆性
对于可逆的电极反应，循环伏安图的上下
两条曲线是对称的，则：
峰电位之差满足此式，
峰电流：i pa / i pc 1
即电极反应是可逆的。
RT
峰电位：P Pa Pc 2.22 nF (m V )
25C时 ：P
56.5 (m V) n
b为部分可逆，它虽然也有还原电位峰和氧化电位峰， 但是上下不对称，也不满足（3）、（4）两式,但是峰 电流均与电压扫描速度√v成正比。峰电位随电压扫描 速度的增加而变化，阴极峰变负，阳极峰变正。
(三)循环伏安图
图上部位，当电位从正向
负扫描时，电活性组分在电极
上发生还原反应，产生还原波，
称为阴极支，其峰电流为ipc ， 峰电位为φpc 。
图下部位，当逆向扫描时，
电极表面的还原态物质发生氧
化反应，产生氧化波，称为阳
图8-18
极支，其峰电流为ipa ，峰电位 为φpa 。
(四)峰电流、峰电位方程式
+ 2H++2e-
NH OBiblioteka NHc为不可逆，因为它只有一个还原峰，反方向扫描时虽 然有连续的电流衰减但是没有得到氧化峰， ipc与电压 扫描速度√v成正比。当电压扫描速度明显增加时， φpc明显变负 。
(二)电极反应机理的研究
循环伏安法可用于电化学-化学 偶联过程的研究，即在电极反应过 程中还伴随着化学反应的产生。
循环伏安法
❖ 循环伏安法不仅可鉴定
电化学反应产物，还可鉴 定电化学—化学偶联反应 过程的产物。
❖ 例如，对—氨基苯酚的 电极反应过程，其循环伏
安图如图。开始由较负的 电位(图中起始点)沿箭头 方向作阳极扫描，得到一 个阳极峰1，而后作反向 阴极扫描，出现两个阴极 峰2和3，再作阳极扫描时 出现两个阳极峰4和5(图 中虚线表示)。其中峰5与 峰1的位置相同。
图3.1 循环伏安法中电位与时间的关系
❖ 其电流—电压曲线如图
图3.2 循环伏安图
❖ 阳、阴极峰电流之比值(设
)
❖ 严格地说，只有当电极反应产物可溶于溶液时， 上式的比值才为1。如电极产物形成汞齐，则由于 悬汞电极的体积很小，汞中还原形的浓度比溶液 中氧化形的浓度大得多，因而阳极峰电流比阴极 峰电流大。
极反应为
❖ 扫速越慢，阳极峰电流比阴极峰电流降低得更快，峰电流之 比ip,a/ip,c与v的关系如前图， ip,a/ip,c随v增加而增加，最后趋 于 发1生。水这化是反由应于电极还原产物Co(en)32+不稳定，在电极附近
❖ Co(en)32+可在阳极上氧化，而水化产物Co(en)2(OH)22+则不 能，因此，扫速越快，水化反应越来不及进行，生成的水化 物越少， ip,a/ip,c值越接近于1。反之，v越小，水化反应作用 越大，电流比值越小。
❖ 三种不同R1和R 2基的烯类比合物的反应是二聚化 反应的另一例子。其反应通式为
❖ 不同取代基的反应物的伏安图，如下图所示。
烯类化含物循环伏安图
c为
的循环伏安图，无阳极峰，表明二聚化反应很快，
循环伏安法
及 Ag/AgCl 参比电极。夹好电极夹。以 50mV/S 的扫描速度记录循环伏安图并存 盘。 (4). 用一定浓度铁氰化钾和亚铁氰化钾溶液，分别记录扫描速度为 5 mV/S、10mV/S、 20mV/S、50mV/S、100mV/S、200mV/S 的循环伏安图并存盘。在完成每一次扫 速的测定后，要轻轻摇动一下电解池，使电极附近溶液恢复至初始条件。
得到一个氧化电流峰。所以，电压完成一次循环扫描后，将记录出一个如图 2 所示 的氧化还原曲线。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
图 1 cv 图中电势~时间关系
图 2 氧化还原 cv 曲线图
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。因此．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。
正向扫描的峰电流 ip 为： ip = 2.69×105n3/2AD1/2υ1/2C 式中各参数的意义为：
ip：峰电流（安培）； n：电子转移数； A：电极面积（cm2）；D ：扩散系 数（cm2/s） ；υ：V/s；C：浓度（mol·L-1）。从 ip 的表达式看：ip 与υ1/2 和 C 都呈线性关系，对研究电极过程具有重要意义。
图 3 Ag 在 Pt 电极上电结晶过程的 CV 图 0.01mol/LagNO3+0.1mol/LKNO3
Faraday 常数（96485 C.molmnFidtQt==∫0-1）。如图 3 的 CV 图中，阴影部分对应的 是铂上满单层氢脱附的电量，为 210 μC/cm2。由于氢在铂上只能吸附一层，通过实 验得到的吸附电量可以推算实验中所用的电极的真实面积。若电化学过程不只涉及 一层物种的反应，如 Ag 在 Pt 上的沉积，见图 3，通过积分沉积的 Ag 的溶出电量， 以及 Ag 的晶格参数可以估算电极上沉积的银的层数。通过改变 CV 实验中的扫描 速度，根据实验中得到的 Ip, ΔEp, Ep/2，Ep, ,值，判断电极过程的可逆性。25°C 下， 针对反应可逆性的不同，将具有以下特征（以一个还原反应通过改变 CV 实验中的 扫描速度，根据实验中得到的 Ip, ΔEp, Ep/2，Ep, ,值
循环伏安法的工作原理
循环伏安法的工作原理1循环伏安法简介循环伏安法是一种经典的电化学方法，用于研究电极表面、某些离子溶液的氧化还原行为以及电化学反应动力学等问题。
它通常是通过改变电极电势，监测电流变化并绘制伏安曲线来实现的。
2循环伏安法的步骤循环伏安法的基本步骤非常简单：1.使电极在某个起始电势下静置一段时间，稳定后测量电流荷兰玻璃电极。
2.电势施加到不同的电位点上，记录下对应的电流值。
3.逆转电势并再次进行相同的测量。
4.让电极回到起始电势并记录相关电流值。
3循环伏安法的意义通过循环伏安法，我们可以测量氧化还原反应动力学及其机理。
这种方法广泛应用于电化学催化（如燃料电池）、电化学传感器、电极表面修饰以及材料表征等方面。
此外，该方法还能用于检测氧化还原反应参与的化学物质、观察电极电势对电化学反应的影响以及评价反应热力学和动力学参数等。
4循环伏安法的优点和应用循环伏安法的优点在于可靠性高、重复性好、具有很高的空间和时间分辨率，并且对于难以直接测量的实验系统进行反应动力学研究具有明显优势。
该方法在离子电解质的反应动力学、材料表征、催化和传感器等领域得到广泛应用。
例如，它被用于测量气体传感器、生物传感器、电化学电池等方面。
5循环伏安法的局限需要注意的是，循环伏安法也有局限性：仅能适用于反应速率较慢的化学体系，并需要高度纯净的电解质，还需要空气无尘条件下进行操作。
6结论总之，循环伏安法是一种非常重要且广泛应用的电化学研究方法，有效探究氧化还原反应机理，对于催化、物质表征等领域有着广泛应用。
理解和掌握循环伏安法的基本原理和应用场合，将有助于开展相关研究，并推动电化学研究的发展和应用。
cyclic voltammetry
循环伏安法目录循环伏安法概念基本原理循环伏安法的应用循环伏安法的用途编辑本段循环伏安法概念循环伏安法(Cyclic Voltammetry)一种常用的电化学研究方法。
该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。
根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。
常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。
对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。
本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。
编辑本段基本原理如以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，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，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。
因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流—电压曲线称为循环伏安图。
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。
循环伏安法中电压扫描速度可从每秒种数毫伏到1伏。
工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。
编辑本段循环伏安法的应用循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。
但该法很少用于定量分析。
（1）电极可逆性的判断循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。
若反应是可逆的，则曲线上下对称，若反应不可逆，则曲线上下不对称。
（2）电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产物、电化学—化学耦联反应等,对于有机物、金属有机化合物及生物物质的氧化还原机理研究很有用。
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循环伏安图
当工作电极被施加对称的三角波扫描电压激发时，其上 将产生响应电流，以电流对电位作图为循环伏安图。
氧化峰电流（ipa) 氧化峰电位（Epa） 还原峰电流（ ipc）还原峰电位（Epc）
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（6）
（6）式是判别电极反应是否可逆体系的另一重要指标。
由式（5））可知：
ip与c呈正比，因此循环伏安法也可用于定量分析。
ip与A呈正比，可根据已知可逆体系循环伏安图上的峰 电流测定工作电极的有效面积。
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(3)
可见对于可逆电极过程，用循环伏安法测定条件电极电位是 很方便的。对于不可逆电极过程，（3）式不适用 。
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(1)-(2)得：
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E
E pa
E pc
2.2
RT nF
58 mV n
(4)
式（4）是判断电极过程可逆性程度的重要指标之一。 ⊿Ep的理论值为58/n（毫伏）。这是可逆体系的循环伏 安曲线所具有的特征值。应该指出，⊿Ep的确切值与 扫描过阴极峰电位之后多少毫伏再回扫有关。一般在 57/n（毫伏）至63/n（毫伏）之间。
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一、实验目的
二、循环伏安法简介
三、实验原理
四、实验步骤
五、结果处理
六、思考题
七、实验延伸
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一、实验目的
学会使用电化学工作站； 掌握伏安法实验的基本技术； 掌握循环伏安法的原理； 了解固态电极的处理方法和测算固态
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循环伏安图上电位的运用
对于可逆电极过程：
E E θ'安图上可逆电极过程的峰电位与标准电极电位（E0),
有如下的关系：
E pc
E
θ'
1.1 RT nF
(1)
E pa
E
θ'
1.1 RT nF
(2)
(1)+(2)得：
E θ' (Epa Epc ) / 2
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循环伏安法的基本原理
将循环变化的电压施加于工作电极和参比电极之间， 记录工作电极上得到的电流与施加电压的关系。扫描开始 时，从起始电压扫描至某一电压后，再反向回扫至起始电 压，构成等腰三角形脉冲：
正向扫描时：O + 2e == R 反向扫描时：R == O + 2e
也可根据循环伏安图由式（4）估测电极反应的电 子转移数，帮助判断电极反应机理。
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循环伏安图上电流的运用
对于可逆电极过程，阴极和阳极峰的峰电流公式相同， 如下：
ip=2.69×105n3/2AD1/2v1/2c
（5）
ipa/ ipc=1
循环伏安法及其他伏安和极谱分析法均是在一定条件
下控制电压电解被分析物质的稀溶液，根据所得到的电流-
电压（电位）曲线，即循环伏安图来进行分析的方法。
一般使用三电极体系 W: working electrode R: reference electrode C: counter electrode
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循环伏安法是最重要的电分析化学研究方法之一。对于 一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法， 可称之为“电化学的谱图”。它主要用于电极反应的机理的 研究而非定量分析。
根据循环伏安图可以判断电极反应的可逆程度，中间体 形成的可能性、相界吸附以及偶联化学反应的性质等。可用 来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理。
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基础化学实验IV （仪器分析实验）
K3Fe(CN)6的电极反应研 究——循环伏安法
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实验技能训练要点
✓电化学工作站的使用（第一次训练） ✓伏安法实验的基本技术（第一次训练） ✓固态电极的打磨方法（第一次训练）
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伏安分析的三电极体系
工作电极 指在测试过程中可引起试液中待测组分浓度 明显变化的电极
表面能周期性更新的液态电极 表面不能周期性更新的汞膜
——滴汞电极
等液态电极，玻碳、金等固
态电极，化学修饰电极
极谱法
伏安法
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固态电极的表面状态对循环伏安图的影响很严重， 尤其是易吸附物质，必须进行抛光处理。固体电极表面 的第一步处理是进行机械研磨、抛光至镜面程度。最常 用于抛光电极的材料是粒径在微米级的Al2O3粉。抛光 后先洗去表面污物，必要时再移入超声水浴中清洗，每 次2-3分钟，直至清洗干净，得到一个平滑光洁的电极 表面。
1938年Matheson和Nichols首先采用循环伏安法，1958年 Kemula和Kubli发展了这种方法，并将其应用于有机化合物 电极过程的研究。目前，电分析的各热点研究领域，例如电 化学传感器的研究中，循环伏安法也是最基本的研究方法。
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电极有效面积的方法。
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二、循环伏安法简介
电位分析法
电
线性扫描伏安法
分
电解与库仑分析法
循环伏安法
析
伏安与极谱分析法
脉冲伏安法
化
方波伏安法
学
电化学阻抗法
溶出伏安法
计时电位/电流分析法 • • •
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参比电极 在测量过程中提供一个恒定的电极电位标准。
常使用饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极。
实验前要检查电极内是否充满溶液，小管内应无气泡。 同时应将电极下端之胶帽及电极上部的小胶皮塞拔下。
辅助电极 提供电子传导的场所，与工作电极组成电池形成 通路的电极。一般由惰性金属材料构成。