常用電化學(xué)研究方法及技術(shù)

【摘 要】在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外納米材料開(kāi)發(fā)與研究大背景下，電化學(xué)評(píng)價(jià)手段能夠有效地用于表征產(chǎn)品的多種電化學(xué)性質(zhì)。本文主要論述了幾種常用的電化學(xué)研究方法及技術(shù)在納米產(chǎn)品評(píng)價(jià)方面的基本原理、適用范圍以及操作要點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)解釋。通過(guò)總結(jié)當(dāng)前涉及的多種電化學(xué)研究方法，作者對(duì)下一步復(fù)雜電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)期。

【關(guān)鍵詞】電化學(xué)測(cè)試；研究方法；測(cè)試技術(shù)

1 背景介紹

基于電化學(xué)基本原理所構(gòu)建的多種電化學(xué)研究方法與技術(shù)，諸如常見(jiàn)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(shù)等，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外納米材料開(kāi)發(fā)中被認(rèn)為是表征產(chǎn)品電化學(xué)活性的常用手段。電化學(xué)研究方法與技術(shù)作為對(duì)材料物理表征的深入研究，其主要優(yōu)點(diǎn)在于評(píng)價(jià)體系簡(jiǎn)單，操作條件溫和，針對(duì)性強(qiáng)，周期短等，適合用于篩選高電化學(xué)活性的各種納米材料產(chǎn)品，諸如電化學(xué)儲(chǔ)能材料，電化學(xué)催化材料、電化學(xué)發(fā)光材料等。以下從電化學(xué)體系建立及電化學(xué)常規(guī)測(cè)試技術(shù)兩方面進(jìn)行介紹。

2 電化學(xué)體系

2.1 兩電極體系

由研究電極（也成工作電極）、對(duì)電極和適當(dāng)電解液所構(gòu)成的電化學(xué)體系成為兩電極體系。兩電極體系是電化學(xué)測(cè)試中最簡(jiǎn)單的研究模型，其特點(diǎn)在于構(gòu)建簡(jiǎn)單，測(cè)試便捷，適用于工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的定性測(cè)試。其缺點(diǎn)在于，所測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。該體系建立的要點(diǎn)為：對(duì)電極一般采用惰性電極（如石墨等），并且對(duì)電極在測(cè)試中的極化應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于研究電極。定性分析適用范圍：電化學(xué)儲(chǔ)能材料，電化學(xué)催化材料的綜合性能等。

2.2 三電極體系

根據(jù)電化學(xué)的基本原理，為了精確獲得研究電極表面電位與電化學(xué)反應(yīng)之間的因果關(guān)系，通過(guò)引入?yún)⒈入姌O來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究電極電位進(jìn)行可控性研究的“工作電極+對(duì)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(píng)價(jià)材料電化學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)在于易于構(gòu)建，模型嚴(yán)格，適用于專業(yè)級(jí)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(jìn)行操作，普及可行性較低。該體系的建立要點(diǎn)為：三電極一般在電解質(zhì)互相連通的三個(gè)艙室中分別放置，并且參比電極需要采用雙鹽橋進(jìn)行保護(hù)。定量分析適用范圍：材料的儲(chǔ)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(xué)研究方法與技術(shù)

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(guò)連續(xù)改變研究電極表面電位從而獲取材料電化學(xué)活性的方法。該方法采集數(shù)據(jù)時(shí)一般掃速控制在10mV/s及以上。循環(huán)伏安法主要用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品在測(cè)試體系中的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的活性以及電位等信息，包括如下幾個(gè)方面：（a）氧化還原峰及峰值電流，用于分析產(chǎn)品電化學(xué)基本活性及可逆儲(chǔ)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(duì)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(xué)反應(yīng)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(yáng)極極化或陰極極化）條件下獲取界面電化學(xué)反應(yīng)活性的方法。該方法采集數(shù)據(jù)時(shí)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(píng)價(jià)產(chǎn)品的電化學(xué)單極反應(yīng)活性（指陽(yáng)極反應(yīng)活性或陰極反應(yīng)活性）以及電位等信息，包括如下幾個(gè)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(xué)反應(yīng)電位，用于分析產(chǎn)品的單極反應(yīng)電位或初始催化電位；（c）Tafel曲線，用于分析產(chǎn)品的電化學(xué)催化活性并計(jì)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(guò)恒定電流或電位來(lái)控制電極表面交替發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而研究產(chǎn)品儲(chǔ)能性能的方法。該類方法主要應(yīng)用于電化學(xué)能量存儲(chǔ)的活性材料評(píng)價(jià)，諸如鋰離子電池、超級(jí)電容器等。所采集的信息包括如下幾個(gè)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(chǔ)的實(shí)際電能及庫(kù)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(chǔ)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(xué)儲(chǔ)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(guò)輸入一系列不同頻率的震蕩波從而獲取電極表面電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本信息的方法。該方法主要從深層次研究電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)基本行為，適用于高級(jí)電極機(jī)理的研究。所采集的信息包括如下幾個(gè)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(yīng)內(nèi)阻，用于分析產(chǎn)品在電化學(xué)反應(yīng)中內(nèi)部電阻的變化行為及庫(kù)倫效率；（c）擴(kuò)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(xué)研究方法及技術(shù)在現(xiàn)代材料開(kāi)發(fā)中，尤其是電化學(xué)功能材料開(kāi)發(fā)中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此建立統(tǒng)一、有效的電化學(xué)測(cè)試手段是本專業(yè)的基本任務(wù)之一。在未來(lái)的研究中，電化學(xué)測(cè)試技術(shù)應(yīng)向著兩方面發(fā)展：一方面是，專一性能測(cè)試手段的發(fā)展，可有效評(píng)價(jià)材料某一單純的性能；另一方面是，綜合交叉測(cè)試手段的發(fā)展，可以系統(tǒng)評(píng)價(jià)材料的多種特性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Yuqian Fan， Guangjie Shao， Zhipeng Ma， Guiling Wang， Haibo Shao， Shuai Yan. Ultrathin Nanoflakes Assembled 3D Hierarchical Mesoporous Co3O4 Nanoparticles for High-rate Pseudocapacitors Part[J]. Part. Syst. Char. 2014， 31： 1079-1083.

[2]Yuqian Fan， Haibo Shao， Jianming Wang， Liang Liu， Jianqing Zhang， Chunan Cao Synthesis of foam-like freestanding Co3O4 nanosheets with enhanced electrochemical activities Chem[J]. Commun. 2011， 47， 3469-3471.

[3]樊玉欠，王慧娟，邵光杰，馬志鵬，王桂玲，郭壯，侯爵，閆帥.一種氫氧化鈷薄膜的制備方法.（發(fā)明專利，CN201410122323.8）.

[4]邵海波，樊玉欠，孔德帥，皮歐陽(yáng)，萬(wàn)輝，王建明，張鑒清，曹楚南.一種在金屬鈷表面生長(zhǎng)氫氧化鈷片的方法.（發(fā)明專利，CN201010224556.0）.

[責(zé)任編輯：王偉平]