(一)电化学初学者福利来了—打磨电极你做对了吗?

常说“电化学”入门容易,但是电化学方法测试你真的了解吗?

循环伏安法(CV)作为是一种强大的电化学技术,常用于研究物质的氧化还原过程。对于研究电子转移引发的化学反应(包括催化)非常重要。但是对于许多初学者没有接受过正式的培训。所以我们将从最基本的原理、操作进行介绍。

1. 电化学测试装置

首先以电化学三电极体系的实验装置作为对象进行介绍。用于CV实验的容器称为电化学电解池。三电极设置包括工作电极(WE),对电极(CE)和参比电极(RE)。后面将会介绍每个组件的作用以及如何组装电化学电解池。

图 1. CV测试的电化学电池的示意图。

1.1 工作电极

工作电极作为电化学反应的界面,利用恒电位仪可控制工作电极的施加电位。

电活性电位窗口到底有多宽呢?电解液、溶剂和工作电极的性质都会影响可用于CV实验的电位窗口。

作为发生氧化还原反应的界面,电极表面必须非常干净并且表面积明确。抛光、清洁电极的因电极类型而不同,也可能因实验室不同而不同。当使用玻碳(GC)或铂(Pt)电极时,通过机械抛光来打磨清洁的电极表面。为了去除颗粒,然后在超纯水中对电极进行超声处理。通常还需要在简单的电解质中较宽电位窗口进行CV扫描去除抛光过程中任何吸附物质。重复扫描直到扫描曲线重叠,并且没有观察到峰。这个过程有时被称为“电极预处理”。

如何打磨玻碳电极?

一个简单的抛光电极的方法是在有氧化铝浆的抛光垫上用“8”字形打磨。使用“圆周”运动打磨时,抛光往往不均匀,表面会变得倾斜。

对于玻碳电极,一旦通过抛光活化,表面就会非常活泼。当溶剂中存在杂质时,它们会优先吸附到电极的碳表面,导致CV图发生变化。为了限制溶剂杂质的吸附,可以使用活性炭处理溶剂。必须在测量前抛光电极,并且需要在实验过程中的每次测量之间重新抛光电极,因为某些分析物倾向于电极表面吸附。要确定分析物是否吸附到电极表面,可以进行简单的冲洗:在记录CV后,冲洗WE,然后转移到仅含电解质的溶液中。如果CV没有观察到电化学特征峰,这就排除了强吸附(尽管不是弱吸附)。

不同的电极材料也会导致不同的电化学响应,例如当电子转移动力学在电极类型之间存在显着差异时,当仅在某些电极材料上发生强烈吸附时,或者当发生电极与底物的特异性反应时。因此,改变电极材料是判断和评估这些问题的第一步。

1.2参比电极

参比电极具有明确且稳定的平衡电位,它可作为参考点,在电化学电池中测量其他电极的电位。因此,施加的电位通常被写为“vs”参比电极。一些常用的(通常是市售的)电极组件,电极电位与电解池中使用的电解质无关。在水介质中一些常见参考电极包括饱和甘汞电极(SCE)、标准氢电极(SHE)和Ag/AgCl电极。这些参比电极通过多孔玻璃与溶液隔开。最好使参比室中的溶剂和电解质与电解池中的溶剂和电解质匹配减小结电位。

在非水溶剂中,通常使用基于Ag+/Ag对的参比电极。主要由包含Ag+盐(通常为AgNO3)的溶液和银线组成。但是Ag+/Ag参比电极的电位会由于Ag+、电解质或所用溶剂的变化而变化,因此要注意非水参比电极的细节问题。为了避免这些问题,还原电位应参考具有已知E0'的内参化合物(比如:二茂铁),研究人员应注意测量电位与二茂铁对在0 V时的关系。参考报告的电位与二茂铁对(在0 V vs Fc+/Fc)之间的关系。应确保分析物氧化还原的电位窗口不与二茂铁重叠,并且分析物不与二茂铁相互作用。由于非水参比电极电位在实验过程中倾向于漂移,内参应用于整个测量过程。

Ag+泄漏到分析物溶液中也是一个问题,主要会干扰电化学测量。因此,必须非常小心以尽量减少这种可能性。一种选择是使用银线代替Ag+盐在电解液中,通过多孔玻璃与分析物隔开。这个银线参考电极可利用表面的自然氧化层,产生了不明确的Ag2O/Ag对。这种方法消除了银盐泄漏的可能性,但是需要存在内参。

1.3 对电极

当向工作电极施加电位使得分析物发生还原(或氧化)时,电流开始流动。对电极的目的是完成回路。当电子在WE和CE之间流动时记录电流。为了确保在对电极上发生的反应动力学不会抑制工作电极上发生的反应,对电极的表面积一定要大于工作电极的表面积。铂丝或铂盘通常用作对电极,也可以使用碳基电极。

在WE界面研究还原时,在CE界面会发生氧化。因此,应选择尽可能惰性的CE。对电极可以根据实验产生副产品,因此,这些电极有时可能会通过烧结隔间与系统的其余部分隔离。一个例子是在WE研究THF中的还原过程时,可能在CE发生的THF氧化聚合。

待续......

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