实验七 三角波电位扫描法研究氢和氧在铂电极上的吸附行为

PAGEPAGE5实验七三角波电位扫描法研究氢和氧在铂电极上的吸附行为一、实验目的1.掌握三角波电位扫描法的测量技术2.测量氢和氧在铂电极上吸附脱附规律，并绘制曲线3.通过实验加深对氢电极过程的理解二、实验原理用恒电位仪或电化学工作站控制研究电极电位在一定范围内以恒定的速率按三角波的规律变化，即依次作方向相反的线性电位扫描。同时用函数记录仪或工作站记录通过电极的电流随电极电位的变化曲线。该曲线称为动电位扫描曲线或循环伏安曲线，该方法称作三角波电位扫描法或循环伏安法。三角波的电位范围可根据实验要求进行选择。如只需对研究电极进行阴极过程的研究时，则电位范围应选择该电极平衡电位的负向，反之，应选择在平衡电位的正向。若既要观察阴极过程又要观察阳极过程，那么电位范围应选择在平衡电位的两侧。在动电位扫描曲线中可以观察到电流波峰的存在，峰电流形成的原因，可能是由于电化学反应造成的。即在电位扫描初期，反应电流随过电位的增加而增加，即扩散电流随时间是增高的。到电位扫描后期，扩散电流又因扩散层厚度的增加而降低，因而形成电流峰值。也可能是由法拉第吸附电流或一般吸脱附过程所引起双层电容急剧变化而带来的与之相应双电层充放电电流的急剧变化。因此，三角波电位扫描法在研究电极过程和吸脱附过程中是一种有用的工具。本实验采用该法研究氢、氧原子在铂电极上的吸脱附行为。氢析出反应的最终产物是分子氢，但是两个水化的原子在电极表面上同一处同时放电的概率是很小的。因此，电化学反应的最初产物是氢原子，该原子具有高度的化学活泼性，它可以和金属表面互相作用（近似于化学键力）生成MH（M-电极的金属，H-氢原子）。此过程表示如下：H++e-+M↔M－H此过程称为法拉第吸附过程。在平滑的Pt、Pa等金属电极上，氢析出的过程，最大可能是复合步骤控制。即：M－H+M－H↔H2↑+2M在电极上氧析出的同时，几乎总是发生副反应，主要发生电极材料的氧化，即使在Pt这样的金属材料上也是如此。例如，在H2SO4溶液中当电位相对于氢标在0.9伏以上，在Pt电极上将发生H2O氧化，并与电极金属互相作用。M＋H2O↔M-O＋2H+＋2e-因而可以采用在一定范围内的三角波电位扫描法研究氢、氧的法拉第吸脱附。曲线如图1所示。图1铂电极在H2SO4溶液中的I-Φ曲线曲线可以分为三个区域。Ⅰ-氢区，Ⅱ-双层区，Ⅲ-氧区。横轴上部为正向扫描所得到的极化曲线，横轴下部为负向扫面所提到的极化曲线。负向扫描时，氢区出现的二个电流峰是氢的吸附峰，峰“4”处对应着H+的还原过程。所生成的H原子吸附在Pt上形成MH。此时由于Pt电极刚刚开始吸附氢原子，所以电极表面的吸附覆盖度较低，因而形成的MH结合力较强，这部分吸附氢称作强吸附H，以强H吸表示。当Pt电极表面已经吸附一部分强H吸之后，Pt电极表面吸附覆盖度增高，此时再继续进行氢的吸附，就与金属表面结合较弱，所以在峰“3”处吸附的氢为弱吸附峰，以弱H吸来表示。在氧区出现一个电流峰——峰“6”，峰“6”是氧的还原峰，也是氧的脱附峰。在正向扫描时，氢区的二个氧化峰为氢的脱附峰。峰“1”比峰“2”的电位负，不难理解，峰“1”处的吸附氢较峰“2”处的吸附氢容易氧化，即容易脱附。显然，这是因为峰“1”处所对应的是弱H吸，故容易脱附，而峰“2”处对应的是强H吸，所以较难脱附。在氧区出现峰“5”为氧的吸附峰。由图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在双层区-Ⅱ没有电化学反应发生，只有微弱电流用于双电层充电。区域-Ⅲ为氧的吸脱附区，氧的吸附峰“5”和氧的脱附峰“6”分离较远且峰值不等，由此可见氧的吸脱附过程是不可逆的。三、仪器和测量体系恒电位仪一台多通道数据采集仪一台超低频信号发生器一台交直流数字电压表一台CHI660D工作站一台PARSTAT-2273电化学工作站一台玻璃三电极体系一套研究电极：铂电极S=1cm2辅助电极：铂电极S=3cm2参比电极：饱和甘汞电极，电极电位为0.248V电解液：0.5mol/L硫酸溶液四、实验步骤1、先将研究电极Pt电极进行前处理，对电极进行电化学除油，再用自来水，蒸馏水仔细冲洗研究电极，洗净后装入电解池并使电极对准鲁金毛细管管口（电解液为0.5mol/L的硫酸溶液）。2、按图2接好线路。超低频信号发生器恒电位仪数据采集仪外输入辅参研超低频信号发生器恒电位仪数据采集仪外输入辅参研电压输出辅参研通道2通道1电流输出（方法一：采用数据采集仪）超低频信号发生器超低频信号发生器恒电位仪外输入辅参研电压输出辅参研电流输出交直流数字电压表（方法二：采用交直流数字电压表）图2三角波扫描法测量线路图3、恒电位仪电源打开前要使“准备-工作”按钮处于弹出状态，将恒电位仪置于“恒电位”档，调节“电流量程”档为“10mA”档，“电压量程”档为“2V”档，与信号发生器连接的外输入接口为“外输入×1”，使“极化电平调节旋钮”以及“外输入×14、打开恒电位仪的开关，将“测量选择”先打到“参比电极”档，读出参比电极相对于研究电极的稳定电位，然后，再将“测量选择”打到“极化电平”档，调节极化电平旋钮，使极化电平数值到达此稳定电位值。之后将恒电位仪的电压输出接口与交直流数字电压表相连接（注：恒电位仪电压输出的接线中红色一端与交直流数字电压表接线的黑色一端连接，恒电位仪电压输出的接线中黑色一端与交直流数字电压表接线的红色一端连接），调节电压输出接口上方的“平衡调节旋钮”，使交直流数字电压表显示的数值与之前测得的稳定电位值一致，然后将“测量选择”打到“电流”档。5、将超低频信号发生器的频率调节为0.002~0.003Hz，Vp-p调节为1.8V，选择输出波形为“三角波”，之后，打开超低频信号发生器的电源开关，在开始试验前将超低频信号发生器的状态置于“准备”档。再经老师确认无误后，方可开始实验。6、实验开始后，先按下恒电位仪的“准备-工作”按钮，再将超低频信号发生器置于“启动”档，此时，设定好的电压三角波信号将施加于研究电极上，循环伏安曲线测试开始，同时采用摄像设备拍摄下测试过程中电流以及电位的变化。7、实验即结束之后按下超低频信号发生器的“准备”按钮，关掉信号发生器，再按下“准备-工作”按钮使其处于弹出状态。8、对拍摄的数据进行记录，每隔1s记录一组电流及电位值，直至记录完成整条曲线，采用origin软件对数据进行作图，绘出完整的循环伏安曲线。9、按图3连接好线路，重复步骤1。采用CHI660D电化学工作站测试Pt电极于0.5mol/L硫酸溶液中在不同电位扫描范围下的循环伏安曲线。10、按图3连接好线路。采用PARSTAT-2273电化学工作站测试Pt电极于0.5mol/L硫酸溶液中在不同扫描速度（50mV/s，40mV/s，30mV/s，20mV/s，10mV/s，5mV/s，）下循环伏安曲线，读出各扫速v下的循环伏安曲线中的各个峰的峰电流值ip，并作出ip~v以及ip~v1/2曲线。11、实验完毕，请将各仪器的电源关掉，并将线路拆掉，最后将实验台整理干净。12、进行数据处理，并根据数据做出循环伏安曲线。电化学工作站电化学工作站计算机辅参辅研图3三角波扫描法测量线路五、数据处理1、作出按图2方法测试出的循环伏安曲线。2、定量标出循环伏安图各峰所对应的电位值和电流密度值。3、采用origin作图软件将采用CHI660D电化学工作站于不同扫描范围下在0.5mol/L硫酸溶液中测得的Pt电极的循环伏安曲线作图，根据各个电位范围下出