电化学实验论文

电化学原理实验论文

一、实验目的

1、了解金属钝化行为的原理和测量方法。

2、掌握用线性电位扫描法测定镍在硫酸溶液中的阳极极化曲线和钝化行为。

3、测定氯离子浓度对镍钝化的影响。

4、了解极化曲线的意义和应用。

5、掌握电化学分析仪的使用方法。

6、掌握恒电位法测定电极极化曲线的原理和实验技术。

7、学习循环伏安法测定电极反应参数的基本原理及方法。

8、熟悉CHI660电化学工作站的使用。

9、学会使用伏安极谱仪。

10、学会测量峰电流和峰电位。

二、实验原理（课题综述）

1、镍在H2SO4溶液中极化（钝化）曲线的测定

1.1、金属的阳极过程

金属的阳极过程是指金属作为阳极发生电化学溶解的过程，如下式所示：

M→Mn+＋ne

在金属的阳极溶解过程中，其电极电势必须高于其热力学电势，电极过程才能发生。这种电极电势偏离其热力学电势的现象称为极化。当阳极极化不大时，阳极过程的速率随着电势变正而逐渐增大，这是金属的正常溶液。但当电极电势正到某一数值时，其溶解速率达到最大，而后，阳极溶解速率随着电势变正，反而大幅度地降低，这种现象称为金属的钝化现象。

金属钝化一般可分为两种。若把铁浸入浓硝酸（比重d＞1.25）中，一开始铁溶解在酸中并置换出H2，这时铁处于活化状态。经过一段时间后，铁几乎停止了溶解，此时的铁也不能从硝酸银溶液中置换出银，这种现象被称之为化学钝化。另一种钝化称之为电化学钝化，即用阳极极化的方法使金属发生钝化。金属处于

钝化状态时，其溶解速度较小，一般为10-6～10-8A·cm-2。

金属由活化状态转变为钝化状态，至今还存在着两种不同的观点。有人认为金属钝化是由于金属表面形成了一层氧化物，因而阻止了金属进一步溶解；也有人认为金属钝化是由于金属表面吸附氧而使金属溶解速度降低。前者称为氧化物理论，后者称为表面吸附理论。

1.2、影响的金属钝化过程的几个因素

金属钝化现象是十分常见的，人们已对它进行了大量的研究工作，影响金属钝化过程及钝态性质的因素可归纳为以下几点：

1.2.1.溶液的组成溶液中存在的H+，卤素离子以及某些具有氧化性的阴离子对金属的钝化现象起着颇为显著的影响。在中性溶液中，金属一般是比较溶液钝化的，而在酸性溶液或某些碱性溶液中要困难得多。这是与阳极反应产物的溶解度有关的。卤素离子，特别是氯离子的存在则明显到阻止金属的钝化过程，已经钝化了的金属也容易被它破坏（活化），而使金属的阳极溶解速率重新增加。溶液中存在某些具有氧化性的阴离子则可以促进金属的钝化。

1.2.2.金属的化学组成和结构各种纯金属的钝化能力很不相同，以铁、镍、铬三种金属为例，铬最容易钝化，镍次之，铁较差些。因此添加铬、镍可以提高钢铁的钝化能力，不锈钢材是一个极好的例子。一般来说，在合金中添加易钝化的金属时可以大大提高合金的钝化能力及钝态的稳定性。 1.2.3.外界因素（如温度、搅拌等），一般来说温度升高以及搅拌加剧是可以推迟过防止钝化过程的发生，这明显与离子的扩散有关。 1.3、恒电势阳极极化曲线的测量原理和方法

控制电势法测量极化曲线时，一般采用恒电位仪，它能将研究电极的电势恒定地维持在所需值，然后测量对应于该电势下的电流。由于电极表面状态在未建立稳定状态之前，电流会随时间而改变，故一般测出的曲线为“暂态”极化曲线。在实际测量中，常采用的控制电势测量方法有下列两种。

1.3.1.静态法将电极电势较长时间地维持在某一恒定值，同时测量电流随时间的变化，直到电流值基本上达到某一稳定值。如此逐点地测量各个电极电势（例如每隔20，50或100mV）下的稳定电流值，以获得完整的极化曲线。 1.3.

2.动态法控制电极电势以较慢的速度连续地改变（扫描），并测量对应电势下的

瞬间电流值，并以瞬时电流与对应的电极电势作图，获得整个的极化曲线。所采用的扫描速度（即电势变化的速率）需要根据研究体系的性质选定。一般来说，电极表面建立稳态的速度愈慢，则扫描速率也应愈慢，这样才能使所测得的极化曲线与采用静态法接近。

上述两种方法都已获得了广泛的应用。从测定结果的比较可以看出，静态法测量结果虽较接近稳态值，但测量时间太长。本实验采用动态法

。

图2 钝化曲线示意图

用动态法测量金属的阳极极化曲线时，对于大多数金属均可得到如图所示的形式。图中的曲线可分为四个区域：

（1）AB段为活性溶解区，此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随电位的变化符合Tafel公式。

（2）BC段为过渡钝化区，电位达到B点时，电流为最大值，此时的电流称为纯化电流（I钝），所对应的电位称为临界电位或钝化电位（E钝），电位过B点后，金属开始钝化，其溶解速度不断降低并过渡到钝化状态（C点之后）。

（3）CD段为稳定钝化区。在该区域中金属的溶解速度基本上不随电位而改变。此时的电流密度称为钝态金属的稳定溶解电流密度。

（4）DE段为过钝化区，D点之后阳极电流又重新随电位的正移而增大。此时可能是高价金属离子的产生，也可能是水的电解而析出Ｏ2，还可能是两者同时出现。

2、镍在H2SO4溶液中的电化学阻抗图谱

电化学阻抗谱早期被称为交流阻抗 (ACimpedance)，实质上它是一种黑箱动态系统的研究方法。其主要过程为在一定电位或电流下对研究体系施加一小振幅正弦交变扰动信号(交变电压或交变电流)，收集对应的电流(或电位)响应信号，最终得到体系的阻抗谱或导纳谱。然后根据数学模型或等效电路模型对阻抗谱或导纳谱进行分析、拟合，以获得体系内部的电化学信息。其主要优点为对样品施加的扰动信号比较小，不会对样品体系的性质造成不可逆的影响，另一方而扰动一与体系之间的响应呈近似的线性关系，这就使得测量结果的数学处理变得简一单。电化学阻抗一谱方法是一种准稳态方法，其自变量是频率而不是时一间，因此它是一种频率域的测量方法，可以测得较宽频率范围的阻抗谱来研究电极系统。通过Laplace变换，频域和时域一叮以进行转换，因此电化学阻抗谱可以得到更多的暂态和稳态的信息，从而比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。

A、电化学阻抗谱测试需满足的三个条件①因果条件②线性条件③稳定性条件金属的腐蚀行为和腐蚀机理与腐蚀体系的极化电阻和界面电容有关。腐蚀体系的极化电阻在腐蚀电位下与腐蚀电流密度成反比，界面电容的大小与材料的表而状态和溶液成分等因素有关。利用电化学阻抗谱可以得到材料的极化电阻和界面电容等参数，从而可以分析金属的腐蚀行为和腐蚀机理，例如金属腐蚀中缓蚀剂的吸附行为、钝化膜的形成与破坏以及表面固体腐蚀产物的形成等。金属或合金