使用恒电位仪/恒电流仪对负载型催化剂进行电化学测量

恒电位仪-恒电流仪是电化学表征中最常用的仪器，用于研究电学变化对化学反应的影响。

恒电位仪-恒电流仪是一种用于电化学系统的仪器。在恒电位模式下，它测量施加电位时的电流；反之，在恒电流模式下则测量施加电流时的电位。为简便起见，该仪器通常称为恒电位仪。

氧化还原反应发生在电极表面，涉及电子的转移。具体而言，化学物种失去电子的过程称为氧化，而获得电子的过程则称为还原。这种氧化还原过程可通过施加电位 E（也称为电压）来引发。

本视频将演示使用恒电位仪进行电化学测试的设置与操作过程。

在大多数情况下，氧化还原反应通过三电极体系与恒电位仪相连接。三电极体系由工作电极、对电极（或辅助电极）以及参比电极组成。工作电极是目标反应发生的位置，而对电极用于完成电路。

施加的电位是相对于参比电极进行测量的，该参比电极包含一个具有已知且稳定电极电位 E 的氧化还原体系。常用的参比电极包括饱和甘汞电极和可逆氢电极，它们常用于校准目的。Ag/AgCl 电极常用于电化学测试中，并通过多孔砂芯与电解质溶液连接。

电化学池中充满高离子强度的电解质溶液，例如酸性、碱性或盐溶液。电解质溶液可防止电极处电荷积聚。

在电化学实验中，电位、电流、时间和电荷均可由恒电位仪进行调控或测量。当工作电极作为阴极时，电子从对电极流向工作电极，带正电荷的离子（即阳离子）向阴极迁移。当工作电极作为阳极时，情况相反，带负电荷的离子（即阴离子）向阳极迁移。

通过选择被操控和被测量的参数，可以采用多种测量技术。计时安培法是一种在工作电极上施加电位阶跃，并测量随时间变化的电流响应的技术。当施加的电位阶跃足够大，引发工作电极上的电化学反应时，电流随之发生变化。该技术可用于多种应用，例如反应动力学中扩散系数的测定。

类似地，计时电位法是一种施加恒定或变化电流并测量电位随时间变化的技术。施加的电流会导致电活性物质以一定速率发生氧化或还原。该技术可用于多种应用，例如反应进程的测定。

伏安法通过施加线性变化的电位来测量阳极和阴极电流。该测量方法研究在电位以恒定速率升高或降低过程中，化学物质发生电子得失的情况。循环伏安法（CV）在本系列的另一视频中已进行深入讲解。

在已经介绍了伏安法的基本原理之后，接下来将在实验室中演示三电极体系的组装以及负载表面催化剂的工作电极的制备过程。在本实验演示中，将制备并测量催化剂油墨，该油墨由负载在炭黑载体上的铂纳米颗粒组成，并以Nafion作为粘结剂。该体系代表了当前燃料电池和电池研究的典型体系。

首先，在通风橱中称取 7.5 mg 的金属/炭黑催化剂，并将其加入玻璃小瓶中。用 1 mL 水稀释催化剂，然后加入 100 µL Nafion 117，盖上瓶盖。

将混合物在冰上超声处理至少10分钟，以确保炭黑载体与Nafion均匀分散并充分混合。在油墨超声处理的同时，准备工作电极，即一个直径为3 mm的玻碳圆盘电极。

将电极在覆盖有0.05 µm胶体氧化铝溶液的软垫上轻轻以旋转环形运动擦拭，进行清洁和抛光。抛光后，用去离子水大量冲洗电极，以去除残留的氧化铝。

接下来，将 7 mL 墨水滴加到抛光的垂直取向的玻璃碳电极上。在室温下将工作电极置于真空环境中干燥。如果催化剂纳米颗粒具有空气稳定性，则再在 80??C 下干燥 1 小时。?

首先，向玻璃电化学池中加入 10 mL 电解液。使用带有三个电极开口的聚四氟乙烯盖子密封电化学池。用超高纯度氮气对电解液通气至少 30 分钟，以去除具有氧化还原活性的氧气。在整个实验过程中保持氮气缓慢鼓泡。

将Ag/AgCl参比电极从其3 M NaCl储存液中取出。用去离子水彻底冲洗电极，并将其放入电化学池中。

接下来，用去离子水冲洗铂丝对电极和干燥的工作电极，并将它们插入电解池中。确保电极之间不相互接触。打开恒电位仪，并将导线连接至参比电极和对电极。

以每秒 50 mV 的扫描速率，在上限和下限电位之间进行至少 20 次循环伏安扫描，完成至少 20 次预循环处理。此步骤可确保电极表面充分水合。

线性扫描伏安法（LSV）可通过设定初始电位、最终电位和扫描速率来实施。LSV 的扫描速率通常低于循环伏安法（CV）。结果得到电位与电流的关系图，其中氧化或还原过程在扫描图中表现为峰形。本例中，在阴极扫描过程中，电解质中的高氯酸根在催化剂表面被还原。

进行计时安培法时，选择该技术，然后指定固定的电位和时间。结果是电流随时间变化的曲线图。初始阶段的衰减是由于电容放电所致，而稳态部分基本上是一条直线。计时安培法属于恒电位模式，因此在电容效应的初始渐进衰减之后，可分离出归属于表面反应的电流。

最后，进行一系列电流阶跃的计时电位法测试，其中每个电流阶跃保持一定时间。每次电流从零切换至工作电流时，电位会先出现初始的渐近变化，随后进入稳态。在每次开关循环之后，稳定的催化剂材料需要相同的过电位来驱动指定的电流。

使用恒电位仪进行电化学测量在分析和制备中被广泛应用。

电化学方法可用于分析探针分子与电极的结合。在此示例中，电极在微流控通道内进行图案化，并用单链DNA进行功能化修饰。当DNA与互补链杂交后，氧化还原电对在电极表面被阻断。

然后通过使用三电极探针将电极连接到电化学工作站，测量DNA杂交情况。

阻抗测量用于评估电流流动的阻力，结果显示，随着互补 DNA 浓度的增加，阻抗也随之升高，表明杂交程度增加。

接下来，采用电化学方法监测并表征生物膜在电极上的生长情况。为此，构建了一个三电极体系，其中电解液为细胞培养液。

采用计时安培法监测生物膜的生长，以实现精确测量和可重复的培养条件。

电化学技术也可用于在电极表面制备薄膜和涂层。电信号可在电极表面引发局部环境，从而诱导材料的自组装。

在此示例中，采用电沉积方法进行生物材料的沉积。壳聚糖是一种生物多糖，在电极表面发生溶胶-凝胶转变，形成一层薄膜。

您刚刚观看了 JoVE 关于电位分析法的介绍。现在您应该了解如何搭建典型的三电极电池，并进行基本的电化学测试。

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