實驗七 三角波電位掃描法研究氫和氧在鉑電極上的吸附行為

PAGEPAGE5實驗七三角波電位掃描法研究氫和氧在鉑電極上的吸附行為一、實驗目的1.掌握三角波電位掃描法的測量技術2.測量氫和氧在鉑電極上吸附脫附規(guī)律，并繪制曲線3.通過實驗加深對氫電極過程的理解二、實驗原理用恒電位儀或電化學工作站控制研究電極電位在一定范圍內以恒定的速率按三角波的規(guī)律變化，即依次作方向相反的線性電位掃描。同時用函數(shù)記錄儀或工作站記錄通過電極的電流隨電極電位的變化曲線。該曲線稱為動電位掃描曲線或循環(huán)伏安曲線，該方法稱作三角波電位掃描法或循環(huán)伏安法。三角波的電位范圍可根據(jù)實驗要求進行選擇。如只需對研究電極進行陰極過程的研究時，則電位范圍應選擇該電極平衡電位的負向，反之，應選擇在平衡電位的正向。若既要觀察陰極過程又要觀察陽極過程，那么電位范圍應選擇在平衡電位的兩側。在動電位掃描曲線中可以觀察到電流波峰的存在，峰電流形成的原因，可能是由于電化學反應造成的。即在電位掃描初期，反應電流隨過電位的增加而增加，即擴散電流隨時間是增高的。到電位掃描后期，擴散電流又因擴散層厚度的增加而降低，因而形成電流峰值。也可能是由法拉第吸附電流或一般吸脫附過程所引起雙層電容急劇變化而帶來的與之相應雙電層充放電電流的急劇變化。因此，三角波電位掃描法在研究電極過程和吸脫附過程中是一種有用的工具。本實驗采用該法研究氫、氧原子在鉑電極上的吸脫附行為。氫析出反應的最終產(chǎn)物是分子氫，但是兩個水化的原子在電極表面上同一處同時放電的概率是很小的。因此，電化學反應的最初產(chǎn)物是氫原子，該原子具有高度的化學活潑性，它可以和金屬表面互相作用（近似于化學鍵力）生成MH（M-電極的金屬，H-氫原子）。此過程表示如下：H++e-+M?M－H此過程稱為法拉第吸附過程。在平滑的Pt、Pa等金屬電極上，氫析出的過程，最大可能是復合步驟控制。即：M－H+M－H?H2↑+2M在電極上氧析出的同時，幾乎總是發(fā)生副反應，主要發(fā)生電極材料的氧化，即使在Pt這樣的金屬材料上也是如此。例如，在H2SO4溶液中當電位相對于氫標在0.9伏以上，在Pt電極上將發(fā)生H2O氧化，并與電極金屬互相作用。M＋H2O?M-O＋2H+＋2e-因而可以采用在一定范圍內的三角波電位掃描法研究氫、氧的法拉第吸脫附。曲線如圖1所示。圖1鉑電極在H2SO4溶液中的I-Φ曲線曲線可以分為三個區(qū)域。Ⅰ-氫區(qū)，Ⅱ-雙層區(qū)，Ⅲ-氧區(qū)。橫軸上部為正向掃描所得到的極化曲線，橫軸下部為負向掃面所提到的極化曲線。負向掃描時，氫區(qū)出現(xiàn)的二個電流峰是氫的吸附峰，峰“4”處對應著H+的還原過程。所生成的H原子吸附在Pt上形成MH。此時由于Pt電極剛剛開始吸附氫原子，所以電極表面的吸附覆蓋度較低，因而形成的MH結合力較強，這部分吸附氫稱作強吸附H，以強H吸表示。當Pt電極表面已經(jīng)吸附一部分強H吸之后，Pt電極表面吸附覆蓋度增高，此時再繼續(xù)進行氫的吸附，就與金屬表面結合較弱，所以在峰“3”處吸附的氫為弱吸附峰，以弱H吸來表示。在氧區(qū)出現(xiàn)一個電流峰——峰“6”，峰“6”是氧的還原峰，也是氧的脫附峰。在正向掃描時，氫區(qū)的二個氧化峰為氫的脫附峰。峰“1”比峰“2”的電位負，不難理解，峰“1”處的吸附氫較峰“2”處的吸附氫容易氧化，即容易脫附。顯然，這是因為峰“1”處所對應的是弱H吸，故容易脫附，而峰“2”處對應的是強H吸，所以較難脫附。在氧區(qū)出現(xiàn)峰“5”為氧的吸附峰。由圖1看出，峰“2”和峰“4”的ip和φp基本相同，而峰“1”和峰“3”的ip和φ在雙層區(qū)-Ⅱ沒有電化學反應發(fā)生，只有微弱電流用于雙電層充電。區(qū)域-Ⅲ為氧的吸脫附區(qū)，氧的吸附峰“5”和氧的脫附峰“6”分離較遠且峰值不等，由此可見氧的吸脫附過程是不可逆的。三、儀器和測量體系恒電位儀一臺多通道數(shù)據(jù)采集儀一臺超低頻信號發(fā)生器一臺交直流數(shù)字電壓表一臺CHI660D工作站一臺PARSTAT-2273電化學工作站一臺玻璃三電極體系一套研究電極：鉑電極S=1cm2輔助電極：鉑電極S=3cm2參比電極：飽和甘汞電極，電極電位為0.248V電解液：0.5mol/L硫酸溶液四、實驗步驟1、先將研究電極Pt電極進行前處理，對電極進行電化學除油，再用自來水，蒸餾水仔細沖洗研究電極，洗凈后裝入電解池并使電極對準魯金毛細管管口（電解液為0.5mol/L的硫酸溶液）。2、按圖2接好線路。超低頻信號發(fā)生器恒電位儀數(shù)據(jù)采集儀外輸入輔參研超低頻信號發(fā)生器恒電位儀數(shù)據(jù)采集儀外輸入輔參研電壓輸出輔參研通道2通道1電流輸出（方法一：采用數(shù)據(jù)采集儀）超低頻信號發(fā)生器超低頻信號發(fā)生器恒電位儀外輸入輔參研電壓輸出輔參研電流輸出交直流數(shù)字電壓表（方法二：采用交直流數(shù)字電壓表）圖2三角波掃描法測量線路圖3、恒電位儀電源打開前要使“準備-工作”按鈕處于彈出狀態(tài)，將恒電位儀置于“恒電位”檔，調節(jié)“電流量程”檔為“10mA”檔，“電壓量程”檔為“2V”檔，與信號發(fā)生器連接的外輸入接口為“外輸入×1”，使“極化電平調節(jié)旋鈕”以及“外輸入×14、打開恒電位儀的開關，將“測量選擇”先打到“參比電極”檔，讀出參比電極相對于研究電極的穩(wěn)定電位，然后，再將“測量選擇”打到“極化電平”檔，調節(jié)極化電平旋鈕，使極化電平數(shù)值到達此穩(wěn)定電位值。之后將恒電位儀的電壓輸出接口與交直流數(shù)字電壓表相連接（注：恒電位儀電壓輸出的接線中紅色一端與交直流數(shù)字電壓表接線的黑色一端連接，恒電位儀電壓輸出的接線中黑色一端與交直流數(shù)字電壓表接線的紅色一端連接），調節(jié)電壓輸出接口上方的“平衡調節(jié)旋鈕”，使交直流數(shù)字電壓表顯示的數(shù)值與之前測得的穩(wěn)定電位值一致，然后將“測量選擇”打到“電流”檔。5、將超低頻信號發(fā)生器的頻率調節(jié)為0.002~0.003Hz，Vp-p調節(jié)為1.8V，選擇輸出波形為“三角波”，之后，打開超低頻信號發(fā)生器的電源開關，在開始試驗前將超低頻信號發(fā)生器的狀態(tài)置于“準備”檔。再經(jīng)老師確認無誤后，方可開始實驗。6、實驗開始后，先按下恒電位儀的“準備-工作”按鈕，再將超低頻信號發(fā)生器置于“啟動”檔，此時，設定好的電壓三角波信號將施加于研究電極上，循環(huán)伏安曲線測試開始，同時采用攝像設備拍攝下測試過程中電流以及電位的變化。7、實驗即結束之后按下超低頻信號發(fā)生器的“準備”按鈕，關掉信號發(fā)生器，再按下“準備-工作”按鈕使其處于彈出狀態(tài)。8、對拍攝的數(shù)據(jù)進行記錄，每隔1s記錄一組電流及電位值，直至記錄完成整條曲線，采用origin軟件對數(shù)據(jù)進行作圖，繪出完整的循環(huán)伏安曲線。9、按圖3連接好線路，重復步驟1。采用CHI660D電化學工作站測試Pt電極于0.5mol/L硫酸溶液中在不同電位掃描范圍下的循環(huán)伏安曲線。10、按圖3連接好線路。采用PARSTAT-2273電化學工作站測試Pt電極于0.5mol/L硫酸溶液中在不同掃描速度（50mV/s，40mV/s，30mV/s，20mV/s，10mV/s，5mV/s，）下循環(huán)伏安曲線，讀出各掃速v下的循環(huán)伏安曲線中的各個峰的峰電流值ip，并作出ip~v以及ip~v1/2曲線。11、實驗完畢，請將各儀器的電源關掉，并將線路拆掉，最后將實驗臺整理干凈。12、進行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出循環(huán)伏安曲線。電化學工作站電化學工作站計算機輔參輔研圖3三角波掃描法測量線路五、數(shù)據(jù)處理1、作出按圖2方法測試出的循環(huán)伏安曲線。2、定量標出循環(huán)伏安圖各峰所對應的電位值和電流密度值。3、采用origin作圖軟件將采用CHI660D電化學工作站于不同掃描范圍下在0.5mol/L硫酸溶液中測得的Pt電極的循環(huán)伏安曲線作圖，根據(jù)各個電位范圍下出