电解法制备高纯铁的电极过程研究

1、电解法制备咼纯铁的电极过程 研究电解法制备高纯铁的电极过程研究电化学机理硏究采用二电极体系，如图娴辰齒I比为电源.m 为电流花i为电压從 电源R、电7/LmA和乜丿衣E都 是电化学工作站的 部分+由电化学工件站控轨图中：个电换分別为工作电扱辅 助电极和参比电极 瓦中.匸作电极和辅助电极Z问冇电減迪过.用电记录 通过工作电极的电流：H作电扱和参比电极之间没有电流通过，用电压表E记录工作 电极棺購于参比电极的电位.侵电极电旳隔时间线株变化.从鈕扌T电位扫至某一电位然后丈从这一电4反杓 回起皓电位,测址电流崎电位I咸时间1的曲线“即循环伏安曲线加下图所歩.1- 3.2站坏狀-安由践图从图3.2屮町以

2、得到乞种电化学参数，如阳极的叫电流咯、阳极的蜂电位E“、 阳极半峰电位Epg以及阴极的蜂电流Lc、阴极的峰电位氐、阴极半峰电位Epc：等。 根据循环伏安曲线的特征.可以刈断研究电极反应的训逆件、反应产枷的稳定性以及 电极反应的机理.对产物心阴极I:析出的反应，有IF判断依据.a可逆反应$(1)邮电位Ep与切描速度v无关；(2)那电流ip与打描速度的平方根的比值 与扫描速度v无关。b不叮逆反冈：(1)婷电位Ep随舸描速度v的变化而变化：(2)峰电流ip与知描速度的平方根v 的比值与扫描速侵v无关：(3)在阴杈波范曲不出现阳极波：(4 ) u问為C准可逆反应：(l)Ep随扫描速率v的变化而变化，相

3、比于不可逆反应，这种移动程度狡小； ip/戶实际与v无关；(3) 仅在a=0.5时为1。线性扌T描伏安法与循环伏安法蚕似，只是没有反扌I描的过程.使电极电位禰时间 线性变化测帚电流与电位(或时间)的曲线，即线性扫描伏安曲线.线性扫描伏安 法一般采用慢扫描法，得到不同汛度的阳极或者阴极伯极化曲线，根据极化曲线的分 析，可以得到同 过电位卜反应的活化能，从而可以刈断化学反应的控制步骤，32实验原料、试剂与设备本实验所用的原料是分析纯七水合硫酸亚铁试剂，分子ft足278.01,含量不少于 990%.本丈验所用的水均为白制的二次去离子水.实輪试剂与材料如下表3所示, 实验设备如下衣3.2所示.*3实怡

4、材料丈脸材料4曲位铜电极北京仔色令属研尤总険切电械机州界奥斯也匕学实验器材自国公词饱和片汞也械杭州赛舆斯吐化学尖验器材有限公词二电极电池体系杭州赛奧師电化即丈掘器材百柬公祠盐載(HC1)北京化厂乙簡(CjHyOH)北京化1J 鋭气(Ar)北京化T厂附注1):以上化学试剂均为分析純农2实验册用攻备实验设条生产单位电化学丄件站CHI660C上淄嚴华仪器公司恒阳仪R/K浴開1洵树立仪能仪农杠限公刚电了天平BS-224Sit ;加多利斯仪/系统行限公司33实验方法实驰采用三电极电池体系，以铜电极为硏尢电极，肖從为0.8mm-人面枳的柏片 为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。三电极电解槽屮，研究电极室内

5、冇与参比电 极宰栢联通的鲁金毛细管.用以消除不同溥液间的液体接界电位。实脸前.舸电极用 金相砂纸抛光打磨，除上铜衣血的铜绣和乐艇,先用洒轿淸洗，再用梯盐酸淸洗，最 后用去离子水清洗；恰电极和饱和II汞电极用去寓了水消洗；三电极电解槽先用晞盐 酸淸洗，再用去离子水淸洗。用电子天平秤取0.221g七水合硫酸亚铁，溶于250ml容就瓶中，作为电解液. 用怛泯仪农水浴锅控制电解液的温度。实验前.注电解液中通入20分钟氨气，以除 上电解液中溶輕的氧。当电解液达到 定温度时，用电化学匸作站测试卜疋+还原的循 环伏安曲线和极化曲线。3.4实验结果与讨论:UF户电沉枳的循环伏安曲线国3.3不同打描违度下电沉稅

6、的循环伏安曲线图3.3为电解液30C时在不同打描速皮下Fc电沉枳循环伏安曲线图如图所示. 曲线上只有一个还原峰,说明Fe?的还原是一步进行的,且因为铁只有三个价态,即 +3、+2、0,所以Fe2*电沉积的过程为Ff2e=Fe ,参与电化学反应的电子数 n=2表3.3列出了从图3.3中得到的碌值数据.从表3.3和图3.3中可以看出峰电位 随首M描速率的增大而向负方向移动，可初步判定，盘电解液中发生了不可逆的电极 反应。农3.3爪同门描連f卜得別的峰R）的循环伏安曲线参数Svsccp Ratc(tnV/s)lp(m A)1 p(V)Mv)AE(V)200.7850287-0.2120.075401

7、.0960.368-0.2960.072601.364-0485-0.4170.068801.582-0.5320.4620.070根据&中的散据.得到了峥电流1卩与和描洙度的平方根V的关系.如卜图3.4所示.从图3.4屮町以MV2为定值，即Ip/ V,/2 -j打描速率V无关，进 步说明任电解液屮发生了不可迎的电极反应。图34 lp/V, 2|j V的关系图综I所述昨电位随廿打描速率的增怎而向负方向胳动 电流与扫描速率平 方根的比值与扫描速率无关，根据循环伏安打描理论.Fc*任电解液中的沉枳过程足 不可逆的。对F个不可逆反应，循环伏安曲线满足以卜公式.即(31)1.857RTanF其中：Ep

8、峰电位(V)： 已池半峰电位(V)； R气体常数(JKeoU)： T电解温度(K)：W-一参与电化学反应的电子数:一一法拉第帘数(Cmol)由农3.4叩的数据，根据公式,it算岀了在不同扫描速率下的阴极传递系数* 如卜农3.4所示。& 3.4不同f |描途书卜得到的林R(的微坏仗安HI线参数Sues Rate (mV/s)MV)Epn(V)AE(V)a20-0.28702120.0750.32740-0.36802960.0720.3406004850.4170.0680.360800532-0.4620.0700.350由表？.4中的ftffiuT得在该实验条件下阴极平均表观传递系ft a=

9、0.344 .对十彳、可逆的电极反应，循环伏安曲线匕阴杈的还泉堆电流与扫描速率的关糸= 0.495R”QC(；氏(32)其小：J雌电流(A):A匸作电极I削枳(cm，)；(o电活性物丿贞的浓度(mo卜cm)：D。一一F的旷故系散(cndsj；n一一参与反M的电T数；F 一法拉第常数(C mol)；R一一气体常数(JK-mor1)；T 电解温度(K)：v一一电位扫描速率(Vf)本实验屮/f =0.2562 cnA C3.l810 6mol cm3, 303K,将上述各常数代入公 式(3.2)中得：将表3.3中的数据代入公式(3.3)中得表3.5。丧3.5 FeS：电解液中的扩散系数Sweep R

10、atc(mVrs)Ip(mA)D/cnr200.7856.620* IO*5401.0966.453* IO5601.3646.66 V 10*801.5826.722* 10 s山& 3.5可得任该实验条件F，Fc27f电解洒中的平均扩散系数为/) 6.615x|O5 cm-s*1根据be2*电沉积的第环伏安曲线分析可得:Fe在旧解液中的电沉稅过僅足不可 逆的.11反应足步进存的，反应的方程式为Fe2、2e =Fe,参打电化字反应的 电了籾n=2,阴极衣观传递系数a=0.344Fc任乜解液中的平J匀扩散条数为 00=6.615*10*5 cm2s Z2 Fe电沉枳的稳态极化曲线为J确宦铁电沉

11、枳的碎制步骤 栗用扫描速度是ImV/s的线性打描伏安法测It 不同温度卜Fe电沉枳的穂态极化曲线,结果如卜因3.5o0 8200 00150 00100 00050.00000 00050.20406E/Vffl 3.5不同盘度下Fe电沉枳稳态极化曲线由图3.5可甸，曲线人致分为二设：0.4V一0.4V为第段，任此范田内，电流 妖本保持不变：一0.4V一0.6V为第二段，11此范国內.电流开始明显上升，饷电 极衣谢有层薄禅的將色物质,说明岀现J FcWj电沉积反应;-0.6V以后为第三 段，企此范田内电流急痢增大,1L任实验时发现钳斤I V人址气泡冒出，说叨出现了 析氮反应。耍刿断电极反应足受

12、电化学反控制，还足受扩散步煤控制，需嬰划逋电极反应 的活化能由Arrhenius公式可知KlP： /为同过电位卜的电诉h巴为酒化隠：I为温度：R为气邙常数：B 01 电极反应定时为常数。公式(3.4)衷明In/与1成直线关系。在同过电位卜，作 In/与l/rfT关系图，根推宜线的斜率，即可计於岀电极反应的活化能。由图3.5可知,Fe电沉积的电压范03是-0.4V一0.6V段，在此范E0内,不同 温度下电压和电流的値如卜农3.6所示。农36不同温度Ml!圧仃电涼值T(K)It/X I0uA山朋X lOAUjoy/X 10AU5,v/xio4a2930.650.871.263.843030.851

13、.082.445.933131.041.433.406.843231.452.234.207.64附注I)： 1小皿我示电压时-0.40V时的电流：表示电压时O45V时的电温：I osov表示电 压时050V时的电流：1心*农示电压时-O.55V时的电流.由公式(3.4)及表3.6中的数据可得In/与1/7的关系妙 如下图36所示。IZT/(x 10* )图3.6 In /与l/T关系图由图3.6可求得不同过电位下的农观活化能,如农3.7所示。k 3.7不同过电位卜的人观汚亿能沉枳电位/V-0.40-0.45-0.50-0.55衷观活化能/(kj/mol)20.4524.2831.4917.54当反应的活化能在1216k