常用電化學研究方法及技術

【摘 要】在當前國內(nèi)外納米材料開發(fā)與研究大背景下，電化學評價手段能夠有效地用于表征產(chǎn)品的多種電化學性質(zhì)。本文主要論述了幾種常用的電化學研究方法及技術在納米產(chǎn)品評價方面的基本原理、適用范圍以及操作要點，并對數(shù)據(jù)的結(jié)果進行系統(tǒng)解釋。通過總結(jié)當前涉及的多種電化學研究方法，作者對下一步復雜電化學測試系統(tǒng)進行了預期。

【關鍵詞】電化學測試；研究方法；測試技術

1 背景介紹

基于電化學基本原理所構(gòu)建的多種電化學研究方法與技術，諸如常見的循環(huán)伏安法、線性極化曲線、恒流/恒壓充放電以及交流阻抗技術等，在當前國內(nèi)外納米材料開發(fā)中被認為是表征產(chǎn)品電化學活性的常用手段。電化學研究方法與技術作為對材料物理表征的深入研究，其主要優(yōu)點在于評價體系簡單，操作條件溫和，針對性強，周期短等，適合用于篩選高電化學活性的各種納米材料產(chǎn)品，諸如電化學儲能材料，電化學催化材料、電化學發(fā)光材料等。以下從電化學體系建立及電化學常規(guī)測試技術兩方面進行介紹。

2 電化學體系

2.1 兩電極體系

由研究電極（也成工作電極）、對電極和適當電解液所構(gòu)成的電化學體系成為兩電極體系。兩電極體系是電化學測試中最簡單的研究模型，其特點在于構(gòu)建簡單，測試便捷，適用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的定性測試。其缺點在于，所測得的產(chǎn)品性能只是近似結(jié)果，不能作為定量分析的基礎數(shù)據(jù)。該體系建立的要點為：對電極一般采用惰性電極（如石墨等），并且對電極在測試中的極化應遠遠低于研究電極。定性分析適用范圍：電化學儲能材料，電化學催化材料的綜合性能等。

2.2 三電極體系

根據(jù)電化學的基本原理，為了精確獲得研究電極表面電位與電化學反應之間的因果關系，通過引入?yún)⒈入姌O來實現(xiàn)對研究電極電位進行可控性研究的“工作電極+對電極+參比電極”的體系我們稱之為三電極體系。三電極體系用于評價材料電化學性能的優(yōu)點在于易于構(gòu)建，模型嚴格，適用于專業(yè)級別的產(chǎn)品性能定量分析。然而不足之處在于該體系需要專業(yè)工程師進行操作，普及可行性較低。該體系的建立要點為：三電極一般在電解質(zhì)互相連通的三個艙室中分別放置，并且參比電極需要采用雙鹽橋進行保護。定量分析適用范圍：材料的儲能容量，氧化還原可逆性，塔菲爾曲線，表觀催化活化能等。

3 常規(guī)電化學研究方法與技術

3.1 循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安（CV）法是指在某一電位窗口內(nèi)通過連續(xù)改變研究電極表面電位從而獲取材料電化學活性的方法。該方法采集數(shù)據(jù)時一般掃速控制在10mV/s及以上。循環(huán)伏安法主要用于評價產(chǎn)品在測試體系中的電化學氧化還原反應的活性以及電位等信息，包括如下幾個方面：（a）氧化還原峰及峰值電流，用于分析產(chǎn)品電化學基本活性及可逆儲能容量；（b）氧化還原峰峰值電位及差值，用于分析產(chǎn)品的氧化還原可逆性高低；（c）氧化還原對的電位窗口，用于分析產(chǎn)品電位適用性；（d）不同掃速下的電極行為，用于分析產(chǎn)品快速電化學反應活性。

3.2 線性掃描伏安法

線性掃描伏安法（LSV，又稱極化曲線）是指在單方向極化（陽極極化或陰極極化）條件下獲取界面電化學反應活性的方法。該方法采集數(shù)據(jù)時掃速較低，一般控制在10mV/s及以下。線性循環(huán)伏安法主要用于評價產(chǎn)品的電化學單極反應活性（指陽極反應活性或陰極反應活性）以及電位等信息，包括如下幾個方面：（a）完全極化電位，用于分析產(chǎn)品的極化信息；（b）電化學反應電位，用于分析產(chǎn)品的單極反應電位或初始催化電位；（c）Tafel曲線，用于分析產(chǎn)品的電化學催化活性并計算基本參數(shù)，如塔菲爾斜率，表觀活化能等。

3.3 恒流/恒壓充放電

恒流/恒壓充放電是指通過恒定電流或電位來控制電極表面交替發(fā)生氧化還原反應，從而研究產(chǎn)品儲能性能的方法。該類方法主要應用于電化學能量存儲的活性材料評價，諸如鋰離子電池、超級電容器等。所采集的信息包括如下幾個方面：（a）產(chǎn)品充放電容量，用于分析單位質(zhì)量產(chǎn)品所能存儲的實際電能及庫倫效率；（b）倍率性能，用于分析產(chǎn)品在不同電流密度下所能存儲的電能以及由于高極化產(chǎn)生的能量損失行為；（c）不同電流或同一電流下的循環(huán)壽命，用于分析產(chǎn)品的電化學儲能的循環(huán)可逆性，從而研究其循環(huán)穩(wěn)定性。

3.4 交流阻抗譜

交流阻抗譜（EIS）是通過輸入一系列不同頻率的震蕩波從而獲取電極表面電化學反應動力學基本信息的方法。該方法主要從深層次研究電極過程動力學基本行為，適用于高級電極機理的研究。所采集的信息包括如下幾個方面：（a）溶液及隔膜電阻信息，用于分析單位單位面積溶液電阻或隔膜電阻；（b）產(chǎn)品反應內(nèi)阻，用于分析產(chǎn)品在電化學反應中內(nèi)部電阻的變化行為及庫倫效率；（c）擴散控制下的電極行為，用于分析產(chǎn)品在其它因素控制下的電極行為及綜合性能。

4 前景展望

電化學研究方法及技術在現(xiàn)代材料開發(fā)中，尤其是電化學功能材料開發(fā)中，發(fā)揮著越來越重要的作用，因此建立統(tǒng)一、有效的電化學測試手段是本專業(yè)的基本任務之一。在未來的研究中，電化學測試技術應向著兩方面發(fā)展：一方面是，專一性能測試手段的發(fā)展，可有效評價材料某一單純的性能；另一方面是，綜合交叉測試手段的發(fā)展，可以系統(tǒng)評價材料的多種特性。

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[責任編輯：王偉平]