实验八-旋转圆盘电极法测定电极过程动力学参数

实验八旋转圆盘电极法测定电极过程动力学参数王法星11210220045同组人：肖时英王春邓陶丽一、目的要求1．了解圆盘电极在旋转时的特点，掌握该实验的基本原理。2．测定Fe(CN)64-/Fe(CN)63-体系中反应粒子的扩散系数（D）、交换电流密度（i0）、阴极反应传递系数（α）和阳极反应传递系数（β）。实验原理旋转圆盘电极的结构是将圆柱电极材料镶嵌在聚四氟乙烯棒中，一端呈圆盘状的平面作为反应面，，另一端则连接马达。当电极经马达带动以一定速率旋转时，在电极附近的液体必定会发生流动。在一定条件下，旋转圆盘电极附近的液体处于层流状态时，液体的流动可以分解成三个方向：1．由于电极旋转而产生的离心力，使液体在径向以V径速度向外流动；2．由于液体的粘滞性，在旋转圆盘电极的平面以一定的角速度转动时，液体就要以V切速度向圆盘的切向流动；3．由于电极附近的液体向外流动，使电极中心区的液体压力下降，从而使得电极表面较远的液体以V轴速度向中心流动。根据流体动力学的计算，可以得出液体处于层流时，上述流动速度的数学表达式为：(1)(2)(3)上三式中，r是离电极轴心的径向距离，ω是电极旋转的角速度（等于2πN，N为每秒钟的旋转数），是液体的运动粘度(等于粘度/密度，单位是cm2/s)，ξ是一个无因次比值(等于（ω/）1/2Z，Z是离电极表面的轴向距离)。F、G和H三个函数值与ξ的关系可见图1。图1F、G和H函数值与ξ的关系从图1可知，当ξ=3.6时，F、G函数值已接近于零，而H函数则接近定值(-0.866)，在此情况下，V径=V初=0。人们通常将ξ=0.36时所对应的Z值，定义为流体动力学层的边界厚度，用δPr表示，即（4）当Z>δPr时，液体基本上只作轴向流动，在Z>>δPr时，（5）当Z<δPr时，液体在径向和切向的流速都不可忽略。由于圆盘旋转时，其边缘区液体流动情况复杂，所以圆盘必须处在整个圆盘的中心，圆盘的半径也要比电极的大好几倍，以忽略边缘效应对研究电极下液体流动的影响。如果对旋转圆盘电极进行阶跃恒电位极化，电极表面进行的电极反应可表示为：O+ne=R(6)在大量支持电解质存在的条件下，反应物质的输送既包含了因浓差而引起的扩散作用，也包含了由于电极旋转而产生的对流作用。在稳态时，与电极表面距离相同的各处浓度不因时间而变化，即dC/dt=0，也就是说，对于只考虑一维扩散和对流情况时，有（7）式中D为反应粒子的扩散系数。当只考虑电极表面附近的情况时，可以假定ξ<<1，则(8)根据边界条件：Z→∞时，C=Cb(Cb为反应粒子的体浓度)；Z＝0时，C=Cσ（反应粒子在电极表面处的浓度），可求出微分方程的解：(9)这就是旋转圆盘电极在恒电位极化时，电极表面处的浓度、体浓度及电极转速等参数的关系式。根据C=(dC/dZ)z=0及电极的扩散电流密度（id）与电极表面的浓度关系式id=nFD(dC/dZ)z=0，可得到，(10)此处，令δd=1.61D1/3ν1/6ω-1/2，并称δd为扩散层特征厚度，将δd与δpr相比较，得(11)尤其值得注意的是，旋转圆盘电极的δd数值大小只与D、和有关，与研究体系的Cb无关。在扩散层内，特别是在靠近电极表面处，反应粒子的浓度与Z值成线性关系，同稳态扩散相似。在旋转圆盘电极表面进行反应时，其表面附近有一层均匀、稳定的扩散层，电极上的电流分布也比较均匀和稳定。这是旋转圆盘电极的重要特性。基于这种特性，当旋转圆盘电极作为研究电极时，可以很方便的利用线性电位扫描法测得一定转速下的-i形式转速（转/分）5001000150020002500ω1/2((弧度/秒)1/2)7.2360110.2332712.5331414.4720316.18022阴极电流密度(mA/cm2)-0.5674-0.7948-0.9712-1.14-1.3阳极电流密度(mA/cm2)0.71871.011.221.411.56根据实验原理部分的公式（12），作阴极极限扩散电流密度ild～ω1/2图如下：其斜率数值大小为-0.09423，将n=1,F=96485C/mol,=10-2cm2/s,Cb=10-5mol/mL代入公式（12）,可得DO=6.24E-7cm2/s，即0.01mol/L的Fe(CN)63-离子在水溶液中的扩散系数为6.24E-7cm2/s。同理，作阳极极限扩散电流密度ild～ω1/2的图如下：其斜率数值大小为0.08141，用与上面同样方法求得DR=5.01E-7cm2/s，即0.01mol/L的Fe(CN)64-离子在水溶液中的扩散系数为5.01E-7cm2/s。求算交换电流密度i0，阴极反应传递系数和阳极反应传递系数。由前面实验原理部分可知要想求得i0、和的值，需使电极过程在较小过电位下进行，选择几组不同电位下的i植，根据公式（16）以-1/i对ω-1/2直线拟合，求得不同极化电位下的和值。然后根据公式（17）和（18）以ln和ln进行直线拟合，由直线截距求得i0，并取平均值，从斜率求得和的值。由所测电荷传递步骤控制时的电流曲线读得不同转速，不同电位下的电流密度如下表所示：电流密度（A/cm2）转速（转/分）5001000150020002500电位(V)-0.009-9.168E-5-1.20116E-4-1.4048E-4-1.6019E-4-1.74616E-4-0.006-6.172E-5-8.1096E-5-9.468E-5-1.0615E-4-1.13016E-4-0.003-3.117E-5-4.0966E-5-4.783E-5-5.421E-5-5.5266E-50.0033.139E-54.1284E-54.805E-55.24E-55.2044E-50.0066.297E-58.2654E-59.612E-51.0571E-41.07784E-40.0099.46E-51.23984E-41.4432E-41.5961E-41.64984E-4分别作(a)-0.009V、(b)-0.006V、(c)-0.003V、(d)0.003V、(e)0.006V和(f)0.009V时的-1/i～ω-1/2图如下，读得各电位下-1/i～ω-1/2图的截距和斜率数值，利用公式（16）求得各电位下的电化学反应速率常数数值如下：电位-0.009V-0.006V-0.003V0.003V0.006V0.009V(cms-1)0.0009480.003950.01110.009940.003700.00233(cms-1)0.002890.005300.01270.009380.002620.000645然后，分别以ln和ln分别对进行线性拟合，求得斜率和截距后，取T=290K，利用公式（17）和（18）求得阴极反应传递系数=0.74，阳极反应传递系数=0.26，对求得的交换电流密度取平均值后得i0=5.72mA/cm2。六、思考题研究电极在静止和旋转时的平衡电位相同吗？为什么？研究电极在静止和旋转时的平衡电位是不同的。这是因为，式中各代“*”的参数依次为所研究电极反应的平衡吉布斯自由能、平衡电位和平衡反应常数，平衡电位的大小与反应平衡常数的大小有关。而反应的平衡常数等于产物的活度积除以反应物的活度积，研究电极在静止和旋转时表面物种的活度系数是不同的，这就导致研究电极在静止和旋转时所研究电极反应的平衡常数不同，也就造成了研究电极在静止和旋转时的平衡电位不同。相对来说，