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穩態技術

鎖定
穩態技術是在指定時間範圍內,表徵電極系統的參量(如電極電勢、電流、阻抗、濃度分佈、電極表面狀態等)基本不變或變化甚微的狀態。
中文名
穩態技術
外文名
The steady state technology
作    用
實驗方法和實驗數據分析
參    量
電極電勢、電流、阻抗
分    類
旋轉圓盤電極和旋轉環盤電極

穩態技術技術概述

研究穩態電極系統的實驗方法和實 [1]  驗數據分析的技術。
如果在指定時間範圍內,表徵電極系統的參量(如電極電勢、電流、阻抗、濃度分佈、電極表面狀態等)基本不變或變化甚微,則這種狀態稱為穩態。穩態電極系統的電極電勢和電流與時間無關。穩態技術主要是測量電流與電極電勢的關係──穩態極化曲線,常採用兩種方式:控制電流法和控制電勢法。
控制電流法是逐步改變電流(可以逐點改變,也可以連續慢速改變),在實驗裝置上比較簡單,但不能用來測量如鈍化曲線等出現負斜率(即超電勢增加時極化電流反而減小)的極化曲線。控制電勢法則不受此限制,但需要採用恆電勢儀以控制電極電勢,並使電極電勢逐點(或者以足夠慢的速度)連續改變(稱為電極電勢掃描)。

穩態技術技術分類

圖1 圖1
在電化學技術中,若電極相對於電解質溶液保持靜止不動,稱靜止電極技術;若電極和電解質溶液相對運動,稱流體動力學技術。旋轉圓盤電極(或稱轉盤電極)和旋轉環盤電極是常用的兩種流體動力學技術。這兩種電極的構造見圖1。轉盤電極只有一圓盤,環盤電極則在圓盤外圍設置一個圓環,盤與環之間只有很小的間隙,圓盤或環盤圍繞中心軸旋轉,轉速由一個旋轉系統調節和測量。
旋轉圓盤電極的穩態技術
圖2 圖2
在旋轉圓盤電極的穩態技術中,電極附近液相內的有效擴散層厚度如圖2,式中D為擴散係數;v為動力粘度係數;ω為圓盤電極轉動角頻率。δ易於控制和計算,因而旋轉圓盤電極比靜止電極有以下優點:濃差極化穩定,極化曲線穩定性好,可以測量比較迅速的電化學反應。所以測量旋轉圓盤電極的極化曲線,尤其在測定擴散係數、反應得失電子數、反應物濃度、電鍍添加劑的整平作用和電極反應動力學參數等方面有廣泛的應用。
旋轉環盤電極穩態技術
在旋轉環盤電極穩態技術中,測量圓盤電極極化曲線的同時,控制圓環電極於一固定的電勢,用以檢測圓盤電極上產生的反應中間物,是檢測反應中間物和研究電極反應機理的重要工具之一。

穩態技術技術應用

穩態極化曲線在化學電源、電鍍、金屬腐蝕等應用領域和電化學基礎研究上都有重要的應用。化學電源有負荷時的電壓是直接由總極化決定的,極化較大的電池的負荷特性是很差的(即電壓效率低),負荷特性可直接用整個電池的極化曲線定量地描述。
為了找出負荷特性不佳的原因,必須分別測量陽極和陰極的單電極極化曲線,以判斷各電極的極化佔總極化的百分比。這就必須在電池中插進第三個電極作為參比電極,進一步通過單電極極化曲線和暫態技術研究電化學極化、濃差極化、電阻極化等的主次關係,找出癥結所在。
在電鍍、電冶金和電解方面,研究主反應和副反應(如陰極放氫、陽極出氧)的極化曲線與電流效率密切相關。電鍍或電沉積合金時,最好是研究各成分的極化曲線,找出適當的電鍍液配方和電流密度。為了使陽極順利地溶解,必須測量陽極鈍化曲線,找出適當的電解液配方與陰、陽極面積比。在金屬腐蝕方面,測量極化曲線可以得出金屬腐蝕和腐蝕防護中的各種特徵電勢;在自腐蝕電勢附近和弱極化區測量極化曲線,可以迅速測量腐蝕速率,有利於篩選鑑定金屬材料和緩蝕劑。分別測量兩種金屬的極化曲線,可以推算這兩種金屬連接在一起時的電偶腐蝕。測量陰極區和陽極區的極化,可以研究局部腐蝕。測量腐蝕系統的陰、陽極極化曲線,可以指示腐蝕的控制因素、緩蝕劑的作用類型等。
電極過程動力學的基礎研究方面,從極化曲線可以推算交換電流、速率常數、擴散係數。從曲線斜率可推算參與反應的電子數,進而研究反應機理。
參考資料