Zn电极阳极极化曲线实验报告

一、实验目的 1. 掌握阳极极化曲线测试的基本原理和方法； 2. 测定 Zn 电极在 1M KOH 溶液和 1M ZnCl 2 溶液中的阳极极化曲线； 3. 通过实验理解金属电极钝化与活化过程。 二、实验原理 线性电位扫描法是指控制电极电位在一定的电位范围内， 以一定的速度均匀连续的变化， 同时记录下各电位下反应的电流密度，从而得到电位-电流密度曲线，即稳态电流密度与电 位之间的函数关系：i= f(ψ)。 特别适用于测量电极表面状态有特殊变化的极化曲线。 如下： 如阳极钝化行为的阳极极 化曲线。 阳极极化： 金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程叫做阳极极化， 如下 式所示：M = Mn+ + ne 【金属的钝化现象：阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大。这是 正常的阳极溶出。但当阳极电位正到某一数值时，其溶解速度达到一最大值。此后阳极溶解 速度随着电位变正，反而大幅度的降低，这种现象称为金属的钝化现象。 】 线性电位扫描 法不但可以测定阴极极化曲线， 也可以测定阳极极化曲线， 特别适用于测定电极表面状态有 特殊变化的极化曲线， 如测定具有阳极钝化行为的阳极极化曲线， 用线性电位扫描法测得的 阳极极化曲线，如下图所示 • AB 段-----称为活性溶解区；此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随电位改变服从 Tafel 公式的半对数关系。 • BC 段-----称为钝化过渡区；此时是由于金属开始发生钝化，随着电极电位的正移，金 属的溶解速度反而减小了。 • CD 段-----称为钝化稳定区；在该区域中金属的溶解速度基本上不随电位二改变； • DE 段-----称为过度钝化区；此时金属溶解速度重新随电位的正移而增大，为氧的析出 或者高价金属离子的生成。 从阳极极化曲线上可以得到下列参数：c 点对应的电位---临界钝化电位；c 点对应的电 流—临界钝化电流密度；而这些参数恒电流法是测不出来的。 影响金属钝化的因素很多，包括溶液的组成、金属的组成和结构以及外界条件。 金属 Zn 是中性锌锰电池、碱性锌锰电池和锌-空气电池等的负极材料，其电化学行为受 到广泛的研究。本实验应用线性电位扫描法测量金属 Zn 电极在 1M KOH 和 1M ZnCl2 中阳极 极化曲线。实验中控制电极电位以较慢的速度连续地改变（扫描） ，并测量对应电位下的瞬 时电流值，并以瞬时电流与对应的电极电位作图，获得整个的极化曲线，故称为动电位法。 三、实验器材 CHI 电化学工作站、锌电极、Hg/HgO 电极、甘汞电极、铂电极、三口电解槽、1M KOH 溶液 250ml、1M ZnCl2溶液 250ml。 左：仪器施加的电压信号； 右：测量到的电流-电压关系曲线(极化曲线） 控制电压方法的测量回路和极化回路 四、实验步骤 （1）电极预处理 将锌电极在砂纸上轻轻打磨至光亮，除去氧化膜，用去离子水冲洗干净，铂电极用硫酸 浸泡以除去表面杂质，并用去离子水冲洗。 （2）极化曲线测定 启动工作站，运行 CHI 测试软件，在 Setup 菜单中单击“Technique”选项，在弹出菜单 中选择电化学工作站中的线性电位扫描技术(Linear Sweep Voltammetry)分别测量 Zn 电极在 1M KOH 溶液和 1M ZnCl2溶液中常温和 450C 的阳极极化曲线(扫描速率 5mV/s，从开路到截 止电压分别为-1.0V 和-0.5V) 。 （3）测试完成 关闭仪器，将电极清洗干净待用。 四、实验数据处理及分析 1.每种溶液中不同温度下的极化曲线叠加在同一张图中。 图 1.Zn 电极在 KOH 溶液中，不同温度下的阳极极化曲线 图 2. Zn 电极在 ZnCl2溶液中，不同温度下的阳极极化曲线 2. 结合文献，指出图中的活性溶解区、过渡钝化区、稳定钝化区和过度钝化区。 以图一 45℃为例，AB 为活性溶解区，BC 为过渡钝化区，CD 为稳定钝化区， D 之后有一段电流随电势的增加而上升的过度钝化区 DE，本次实验结果并没看 到。 3. 比较不同溶液中电极的阳极极化行为。尝试分析原因。 3.1 Zn 电极在 KOH 溶液中，不同温度下的阳极极化分析(如图 1) 3.1.1 25℃下，Zn 电极在 KOH 溶液中的极化 25℃时， 从开路电位正向扫描到第一个峰之间为活性溶解区。 此时电极上的 Zn 被氧化成 Zn2+离子，电极正常溶解，产生氧化电流，无钝化现象。峰对应的电 流为氧化电流 Ipa=0.00244,氧化峰对应的电位为氧化峰电位pa= -1.2，也称为临界 钝化电流、临界钝化电势。 此后，曲线出现三个峰，为过渡钝化区。电流随着电势增加，经过一番波动 之后，迅速减至最少。这是因为在金属表面产生了一层电阻高，耐腐蚀的钝化膜 （ZnO 或 Zn(OH)2） 。而产生波动的原因是刚开始生成的 Zn 的氧化物不致密，容 易脱落，电极表面在重复生成钝化膜和脱落的过程，最后，随着电势的增加，生 成了致密的氧化膜，使电流迅速下降至最小。 电势继续增加，电流基本不变地保持在一个很小的数值上，该区为钝化稳定 区，该电流称为钝化电流。 由于扫描的终止电压定得比较小，所以并没有看到过度钝化区。过度钝化区 是随着电势的继续增大，电流再次随着电势上升而增大，表示阳极又发生了氧化 过程，可能是高阶金属离子产生，也可能是水分解放出氧气。 3.1.2 45℃下，Zn 电极在 KOH 溶液中的极化 在 45℃下的曲线与 25℃同理。但因为在温度高是氧化过程更容易进行，使 电极表面一开始钝化时， 就产生了致密的钝化膜， 而在过渡钝化区看不到波动， 只有一个峰。 3.2 Zn 电极在 ZnCl2溶液中，不同温度下的阳极极化分析（如图 2） 3.2 Zn 电极在 ZnCl2溶液中，不同温度下的阳极极化分析 3.2.1 25℃下，Zn 电极在 ZnCl2溶液中的极化 随着电势的增加，电流一直在上升。此时电极上的 Zn 被氧化成 Zn2+离子， 电极正常溶解，产生氧化电流，无钝化现象。因为 Zn 电极在 ZnCl2溶液中不会 钝化，所以没有出现氧化峰，一直处于活性溶解区。 3.2.2 45℃下，Zn 电极在 ZnCl2溶液中的极化 与 25℃下同理。 3.3 对比 25℃和 45℃下，Zn 电极在 KOH 溶液中的极化 对比 45℃下和 25℃下的氧化峰对应的电流，明显可以看出，两者都是高温下比 低温下要大。因为温度越高，离子迁移速率越快，浓差极化越小；电化学反应速率加 快，电化学极化变小，所以临界钝化电流增大。 4.根据不同温度下氧化峰面积的大小，比较温度对氧化电量的影响。 以图 1 为例，对图 1 的两条曲线的氧化峰积分得， S45℃= 6.5936285*10-4，S25℃= 4.6644505*10-4，S45℃ S25℃，由于 S 表示了 U*I/v(扫描速度)=I*t=Q，所以对于相同 电极，相同电解质而言，温度越高，氧化电量越大。 五、参考文献 覃奇贤，刘淑兰 . 电极的极化和极化曲线（Ⅰ）.天津大学 化工学院，天津 300072 覃奇贤，刘淑兰 . 电极的极化和极化曲线（Ⅱ）.天津大学 化工学院，天津 300072