电解法制备高纯铁的电极过程研究

1、电解法制备高纯铁的电极过程研究甘化学机豐研'丸中电槪休象.如图3.i所小.宀二 FtiAI t4/tn妙卜B为电源，m.为电说長.匸为压/比源乩电沱处mA和壮圧表;:都 是电化学工I乍站的部分，山电优学I彳站推肛I年电极分別沟L作也瓯辅 助电极脚乡比电极.苴中*【半电概和辅助电极Z问技电S通过*用电流£|皿记录 通过匚作电极的电漁：【件电极杠巻比电极匕同没仃电就讷过、用电汗i匸记录匸忤 itWHm于塔比电极怕电位、便比機乜伯翻时间绳杵住化.肽起M电侍扌!伞追-电心餓启必从i文电牯反柑 im也蛤电位一測昴:虹涼5乜位（诚时刨的临线“ 1!|】彳!6坏低女關线，如I卜凶昕4怨3-

2、2浙坤狀曲线图从图3.2 'Nr以得到各种电化学参数，如阳极的叫电流i"、阳极的峰电位E"、 阳极半峰电以及阴极的蜂电流ipc、阴极的峰电位Ek、阴极半峰电位Epc2等。 根思循环伏安曲线的转征.可以判断研究电极反应的训逆性、反应产物的稳定性以及 电极反应的机理，对J产物左阴极I析出的反应，白加F判断依据.a iij逆反应I（1）邮电位Ep与Li描速度V无关：（2）邮电流ip与打描速度的平方根JQ的比值 与扫描速度V无关。b不町逆反同：（1） 罕电位Ep随扌曲i速度V的变化血变化:峰电流ip与扌T描速«的平方根V虫 的比值与扫描速度V无关：（3）在阴杈波范

3、曲不出现阳极波：（4 ） |£ -A.,|=l.857f-I P 冋anFjC准町逆反应：（i）Ep随扫描速率V的变化而变化，相比于不训a反应，这种移动稈度校小； 2戶实际与V无关：（3） L/J"仅在a=0.5时为1.线性扫描伏安法与循环伏安法类似，只是没有反扌4描的过程.使电极电位随时间 线性变化，测最电流与电位（或时间）的曲线，即线性扫描伏安曲线.线性扫描伏安 法一股采用慢扫描法，得到不同湿度的阳极或者阴极们极化曲线，根据极化曲线的分 析，可以得到同 过电位卜反应的活化能，从而可以刊断化学反应的控啊步骤.3.2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

4、试剂，分了a足278.01,含量不少于9Q.0%.本丈验所用的水均为白制的二次去离子水.实验试剂与材料如F表3.1所示, 实验设釜如下衣3.2所示.&3 1实验材料丈強M料4/单仪铜电极比京彳f色令屈研几总咲机州处舆斯吐化学实菠器材公词饱和HQli极忙州赛輿斯也化V丈:险器权有限公用电极电池彳木系杭州赛奧斯电化即丈脸材弃限公祠盐战（HC1）比京化T：厂乙醉（C；H.OH）北京化1厂鋭气（Ar）北京化工厂册注1）； UI卜化学试剂均为分析纯农2实验"i川攻备实验设*牛A单位电化学丄件站CH166aC1:梅报华仪器公司悝詔仪浴開1 树树立仪盘仪衣台限公m电了天平BS-224S比虫

5、衣至利斯仪；系统ffSH公司33实验方法实驰采用三电极电池体系，以铜电极为研尢电极，冃從为0.8mm.人面枳的拍片 为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。三电极电解桝中，研究电极室内冇与参比电 极室栢联通的鲁金毛细管.用以消除不同漕液间的液体接界电位。实脸前.葩电扱用 金和砂纸1»光打廃，除上铜及血的铜镌和朶段，先用洒帝淸洗，再用稀盐酸清洗，城 后用上离予水清洗：柏电极和饱和11永电极用去离子水淸洗；三电极电解M先用稀盐 裱清洗，再用去离子水淸洗.用电子天平秤取0.22Ig七水介硫酸亚铁.涪F 250ml容就瓶中作为电解液， 用怛温仪农水浴锅控制电解液的温度。实验前，住电鮮液中週入20

6、分钟氨气.以除 去电解液中洛解的氧。当电解液达到一定温度时.用电化学工作站测试Fe"还原的循 环伏安曲线和极化曲线。3.4实验结果与讨论X4J F疋电沉枳的循环伏安曲线图33不同和描速度下Fe"电沉税的循环伏安曲线图33为电解液3（rc时在不同扫描速度下Fc"电沉枳循环伏安曲线图如图所示. 曲线匕只仃个还原峰，说明Fe2的还原是一步进行的，乩因为铁只冇三个价态，即 +3、+2、0,所以Fe"电沉积的过程为F?- + 2' = Fe .参与电化学反应的电子数 n=2>及3.3列出r从图3.3中得到的峰值数据.从表3.3和图3.3中町以看出-峰

7、电付 酚着打描速率的堆大而向负方向移动，可初步判定，在电解液中发生r不可逆的电扱 反应农33描速申卜得到的峰Ri的術坏伏安|1»线1?«1S>cc p Ratc( inV/s)lp(m A)E（v）S（v）AE(V)200.785-0287-0.2120.075401.096-0.368-0-2960.072601364-0485-04170.06880L582-0.53244620.070根据花3.3 I“的数据斜到了峥电流1耳扌T描速瘵的平方根V山的关系如卜图3.4所示.从图3.4中町以看出，R W为定值，即Ip/V与打描速率V无关.进一 步说明化电解液中-发生了

8、不町a的电极反应。图34lv' >5 Vtfj关系图综I所述.就电位甌村描速率的增大而向负方向移动.电流与扫描速率平 方根的比值与扫描速率无关，根据循环伏安扫描理论，Fe"在电解液中的沉积过程是 不可逆的.(3-1)对F一个不町逆反应，循环伏安曲线满足以卜公式.B|1anF其中：Ep峰电位(V)：E沖半峰电位(Y)；R气体 W&(JK'mol')：T电解温度(K)；一参与电化学反应的电子数:F一法拉第常数(CmolJ。由农3.4屮的数据，根据公式，计貫出了在不同拐推速带 F的阴极传递系数a 如卜农3.4所示.& 3.4不AH i«

9、;rk.的祈址仗玄曲线螫数Sueco Rate(mV/s»tp(V)ABV)a20287-0.2126而1 0J2740-0J684.2960.0720-34060-0.4850470.0680J60800,32-0.4620-0700.350由炎：U中的数据町得加该实址条件阴极平均表观传递系数0=0.144 .对十1、可逆的电极反应，循坏伏安曲线匕阴役的还原峰电流与扫描連率的关系 为：/=04958«FzlC,；D；/而丿、12V(3.2)共中：Y峰电流(A)：A 匸作电极闻枳(cn?)：C：电涵性物Ml的浓/2( mo卜cm J):4一一甩"的犷故系数(cn?

10、-s-')；n参与反应的电T数；F法拉第常数(CmoU)；R一气体常数(JK-'-moV')；T一一电解温度(K):V 电位扫描速率(Vs-')本实验屮/(=0.2562 cm Co=3.18*10 mol cm "303K,将上述各常故代入公 式(3.2)中得：(3.3)Q = 04(54v将表33中的数据代入公式(33)中得袤35.長35甩2*电解液中的扩散系ftSwccp Ratc(niV/s)IfXmA)DuCceV)200J856-620«IO*'40l09C653“0'601364666；“0'SO1.58

11、26.722*10''由袤35可得在该实脸*件下下尹住电解液川的平均扩散系«为/),-6.615x10-' CIT.*-S''根出卜亡2电沉枳的循环伏安曲线分析可得：庄”任旧解液中的电沉枳过侔足不町 逆的，H反应足一步进厅的，反应的方程式为=Fe,参与电化学反应的 电严数沪2,阴极衣观传递系数0=0.344. Fe"任乜解液中的平均扩散条数为 Q.f eiSHO, cinqs'工J2险7电沉积的隐态极化曲线为J确定铁也沉枳的控制步聯.采用扫描速/5足IniV/s的线性扫描伏安法测ft 不同温®卜Fe"电沉枳

12、的檢态极化曲线.结果如卜国35。图3.5不同沿度下Fe，"电沉枳稳态倣化曲线由图3.5可甸，曲线人致分为二设I 0.4V-0.4V为豹段，曲比范团内，电流 坯本保持不变：一0.4V一0.6V为第二段，仕此范围内.电流开始明显上升，铜电 极衣面有-层薄薄的色物质，说明出现r代H的电沉枳反应；一0.6V以后为第二 段，锂此范田内电流&剧増人，丄L任实验时发现钳片I.有人址气泡冃出，说叨出现了 析氢反卜讥翌判断电极反应足受电化学反！应控制，还足受扩散步曲控制，需嬰血逆电极反应 的活化能.由Arrhenius公式诃知(3.4)具中：/为同一过电位卜的电痂；巴为话化陡：丁为温厦：R为气

13、邙第数；B (L 电极反应 定时为常数。公式(3.4)衷明In/与"T成直线关系。在同过电位卜，作 In/与l/T的关系圈，根捉宣线的斜率，即可计翼岀电极反应的活化能由图3.5可知，Fe"电沉积的电压范围是一0.4V一0.6V段，任此范ffl内.不同 温度F电压和电流的値如卜衣3.6所示。农3.6不同温质F电圧仃也应侑T(K)io'aUus/xioJa10* 人Ujjv/XIO'A2930650.871.263 843030,85L082-445.93313L041433.406.84323L452.234.20764附注I)： Uum表示电压时atov时的电流；1小弭表示电压时O45V时的电流；Losev农示电 圧时O50V时的电流；4ssv衣示血压时O55V时的电液由公式(3.4)及表3.6中的数据可得In/与1/7的关系图，如下图3.6所示。lZT/(x 10)")图36 In/打VT关系怕由图3.6 口求紂不同过电位卜的&观活化唸 如4k 3.7所示& 37不同过电位F的农规活亿能沉枳电位ZV040O45050055衷观活化f(6/(kJ/mol)20.4524,2831.4917.54当反应的活