循环伏安法 (CV)

Analytical Chemistry

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Overview

资料来源: 实验室的博士凯拉绿色 — — 德克萨斯基督教大学

循环伏安法 (CV) 实验涉及一系列潜在电压测量时当前的扫描。在 CV 实验中,电极电势的沉管、 固定从预定的起始电位扫描到最终值 (称为开关潜在),得出反向扫描。这给 '循环' 扫的电位和电流与电位曲线所得的数据称为循环伏安图。第一次被称为 '向前扫描',回波被称为反向扫描。潜在的极端被称为 '扫描窗口'。氧化与还原电流的大小和形状的伏安是高度依赖分析物的浓度、 扫描速率和实验条件。通过改变这些因素,循环伏安法可以产生稳定的过渡金属氧化态中的电子转移反应的可逆性,复合体,资料及反应性的资料。这个视频会解释包括分析物制备和设置电化学电池的循环伏安法实验的基本设置。将提出一个简单的循环伏安法实验。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 分析化学精要. 循环伏安法 (CV). JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

潜在的应用之间的参比电极和工作电极循环伏安法实验中增加以线性的方式与时间 (扫描速率 (V/s))。与此同时,当前被测量工作和计数器 (或辅助) 电极从而导致绘制为电流 (i) 的数据与潜力 (E) 之间。氧化与还原事件观察和分配中由此产生的情节。减少事件发生的分析物特定潜在电压在哪里反应 M+ n + e- → M+ n-1 (M = 金属) 是大力青睐 (称为还原电位) 和通过增加当前值来衡量。随着电压潜力达到减少潜在的被分析物,但然后脱落,达到最大的传质速率,当前将增加。当前下山只对其达到平衡在一些稳定的值。氧化反应 (M+ n → M+ n + 1 + e-),也可以作为当前在大力支持 electron(s) 的损失的电位值的减少而观测到。

然后分析了由此产生的伏安和注意到的潜力 (Ep) 和还原和氧化事件在每个安装程序的实验条件下的当前 (p) 数据。此信息可用于评价可逆性的耦合的减少和氧化事件。如上文 (EpaEpc) 的峰电位和峰值电流 (pcpa) 是用来表征氧化还原情侣或事件的基本参数。在可逆的氧化还原过程中,一种化合物的氧化和减少形式是在电极表面的平衡。能斯特方程描述了潜力和平衡比率之间的关系 ([R] / [O])x = 0

(1)

在这里,被称为正式的潜力的反应,并考虑到的活度系数和其他实验的因素。

具体而言,通过给出峰值电流的可逆反应:

(2)

在这里,p是峰值电流的安培、 n是电子所涉及的数量, A是厘米2中电极的面积, Do是扩散常数 (厘米2/s), v是扫描速度 (V/s) 和Co*是体积浓度 (摩尔/厘米3)。扩散常数可以在其他地方用更广泛的实验详细说明测量和此视频1,重点不是。但是,更多的基本准则可用于评价系统1的可逆性。完全可逆系统1的标准:

  1. 在各种扫描率n = 电子数
  2. 在不同的扫描率
  3. |pa/pc|= 1 在各种扫描率
  4. Ep是独立的v v = 扫描速率
  5. 在潜力超越Ep-2 t

用于定义在 25 ° C 的完全不可逆系统的简单诊断测试方法:

  1. (这是指化学不可逆转,但不是一定对电子转移不可逆转) 没有反向峰值
  2. Epc转移为每十年增加v (电化学不可逆性)

最后,用于定义一个准可逆系统的诊断测试方法:

  1. 消极地随v Epc转变

减少和/或氧化事件的位置可以用来推断有关过渡金属配合物的电子性质和对配体的影响作为捐助者的信息。例如,Fe+ 3 / + 2的二茂铁衍生物的还原电位是对由环戊二烯 (Cp) 配体集所提供的电子环境非常敏感。捐赠 (退出) Cp 取代基的电子增加 (或减少),电子密度对铁中心和氧化还原电位转向与 Fc (积极) 负值。

在本议定书中二茂铁将用作示例。实验条件,如溶剂、 电解液选择和研究潜在的范围内 (扫描窗口) 很大程度上取决于分析物溶解度和实验条件。用户被鼓励去咨询相关的文本,如吟游诗人与福克纳1以了解更多。

Procedure

1.电解质溶液的制备

  1. 准备股票电解液 (10 毫升) 组成的 0.1 M [埠4N] [高炉4] 在 CH3CN。
  2. 电解质溶液置于电化学瓶、 小搅拌棒,加到小瓶上盖,如图 1所示。
  3. 检查以确保氮铅在电解质溶液中。搅拌和脱气一连串温柔干 N2气 (~ 10 分钟) 要删除氧化还原活性分子氧的电解质溶液。
  4. 在步骤 1.3 中,小心地插入工作电极 (例如玻碳)、 计数器 (Pt) 和参比电极 (Ag/AgNO3) 铁氟龙单元格顶部。连接单元格站到适当的电极。

Figure 1
图 1。安装程序的一种电化学电池。

2.获取后台扫描

  1. 定义为溶剂的实验条件。对于乙腈,扫描窗口通常是衣料 mV — —-2,000 mV。
  2. 运行并保存伏安法的扫描速率 (例如 20 mV/s、 100 mV/s,和/或 300 mV/s) 范围内的电解质溶液。
  3. 检查生成的扫描,以确保在电解质溶液中有无杂质或剩余的氧气。一个干净的系统会有无氧化还原事件。如果安装程序污染,电极和玻璃器皿将需要清洗和电解质溶液重塑使用清洁组件。

3.分析物溶液的制备

  1. 结合分析物 (~ 2 5 毫米,终浓度) 与电解质溶液制备上述利益。
  2. 检查以确保氮铅在电解质溶液中。搅拌和脱气一连串温柔干 N2气 (~ 10 分钟) 要删除氧化还原活性分子氧的检测分析物电解液。

4.循环伏安法的被分析物

  1. 从 20 执行扫描速率的多个循环伏安法实验 mV — — 1,000 mV (取决于单元格站能力)。开始每次扫描使用计算潜在的开路。
  2. 有条不紊地改变扫描方向 [(+ to –) 和 (— — 到 +)] 和扫描窗口来隔离感兴趣的氧化还原事件。伏安法应该总是从零电流 (开路)。二茂铁 (Fc) 发生氧化反应向芳茂铁 (Fc+)。
  3. 很多团体规范数据到 Fc/Fc+氧化还原夫妇。在本练习中,~ 2 毫克的 Fc 添加到被分析物的解决方案,用于引用目的重复步骤 4.2。在数据分析中,所有的光谱被规范化为 Fc/Fc+夫妇设置为 0.00 V。归一化的还原电位表是可用2

5.清洗电极和电化学电池

  1. 仔细地松开和删除每个电极的电化学电池。
  2. 冲洗用乙腈参比电极,用 Kimwipe 干。存储在参考电极的存储解决方案。
  3. 轻轻地清洁工作和反电极制造商的指导方针要求 (例如巴斯: http://www.basinc.com/mans/pguide.pdf) 来删除积累一些实验过程中的氧化还原反应产品。

循环伏安法或简历,是一种用于研究广泛的电化学性能的分析物或系统技术。

伏安法实验对电化学体系,应用电位扫描,然后测量产生的电流。与当前的应用潜力产生图叫做伏安法。

循环伏安法执行的相同的方式,只是线性电位扫描达到设定的值后,它然后加大在相反的方向返回到初始的潜力。伏安法,特别是山峰和峰值位置的形状关键洞察分析物,如氧化还原或氧化还原电位的属性。

此视频将说明如何安装、 运行和解释循环伏安法实验在实验室里。

循环伏安法通常被执行三电极的单元格中。第一,工作电极是感兴趣的反应。工作电极通常是惰性材料,如黄金、 铂金、 或碳。

下一步,反电极用来关闭电流电路的单元格中。它也是由惰性材料,最频繁的铂丝组成。最后,参比电极用于作为一个参考点系统,因为它有稳定和知名的可能。因此,所施加的电位报道与参考电位。

该单元格包含溶解在溶剂中的分析物。溶剂与被测物,不能反应,不能氧化还原所需的扫描窗口内活跃。在大多数实验中,支持电解质用于最小化溶液电阻。电解液通常是盐溶液,因为它具有高离子强度和电导率。

要运行中三电极电池的电化学测试,将当前流致工作和反电极之间。由操作计数器电极的极化,控制的应用的潜力。然而,可能被测量工作电极和参比电极的已知稳定潜力之间。保持指定的工作和参考电极间电势差,后来调整潜力。

在简历的实验中,潜力线性增加的"开关"的潜力,然后转回起始的潜力,从而使"周期性"的扫描。潜在的限制被称为扫描窗口。由此产生的伏安图显示系统中氧化还原事件所对应的功能。

对于单电子氧化还原事件,向前电位扫描结果在阴极的峰值。在这"阴极峰电位,"被分析物的减少,意味着获得电子。反向扫描导致阳极的峰值,氧化发生的位置。在这"阳极峰电位,"电子脱离产品形成在前扫了。这些山峰的形状是高度依赖分析物的浓度、 扫描速度和实验条件。

既然已解释循环伏安法的基本知识,让我们看看如何在实验室中运行 CV 扫描。

开始执行程序,准备 10 毫升的电解液股票。添加一种电化学电池的电解质溶液。添加小搅拌棒、 搅拌盘置于单元格和限制它。

搅拌和脱气温柔的氮气流解决方案。这将删除氧气,是氧化还原活性。在使用前冲洗与溶剂参比电极,用 Kimwipe 干。然后,轻轻地清洁工作和反电极制造商的指导方针要求。

虽然解决方案脱气,将三个电极插入铁氟龙单元格顶部。将电极连接到设置的合适的潜在顾客。

获得背景扫描,以验证该解决方案不是电化学活性的扫描窗口范围。从结果扫描,确认有无杂质或剩余的氧气。如果氧化还原事件目前,清洁电极和玻璃器皿,和改造解决方案。

与电解质溶液相结合利益被分析的物。搅拌和脱气与要删除氧干燥氮气流解决方案。执行多个循环伏安法实验在多个扫描速率,根据系统功能。凡没有电流开始开路电位值在每次扫描。

有条不紊地会扫描窗口来隔离感兴趣的氧化还原事件发生变化。不同扫描方向,以确保它不会影响的事件。执行此步骤以多种扫描速度。一旦收集了所有的扫描,松开并从单元格中删除每个电极。冲洗参比电极,用金擦干。将它存储在电极的存储解决方案。轻轻地清洁存储之前, 的工作和反电极和冲洗电极细胞。

由此产生的循环伏安法进行了分析并指出还原和氧化事件在每个实验的设置下的电位和电流数据。

简历可以用于确定是否氧化还原反应是可逆的或不可逆。在可逆系统中,氧化与还原发生,生产各自的山峰。此外,到阳极电流的阴极电流的比例应该是大约 1。最后,在可逆系统中,平均峰电位不受潜在的扫描速率。

在不可逆系统中,那里是没有反向峰值。此外,峰值电流应扫描速率的平方根成正比。

使用电活性物种受益 CV 实验研究的许多领域。

多巴胺是长期研究的神经递质,其重要性是药物滥用、 精神疾病和退行性疾病。检查在实时的多巴胺的释放的能力一直是神经科学的目标。在此示例中,在大脑中多巴胺氧化用微电极,使用品种测量各种药理剂被应用于大脑感兴趣区域的测试及其对多巴胺释放的影响。

神经记录假肢的能力随时间后植入术。在此示例中,简历用于监视植入物的有效性。

电极材料和粗糙度,以及周围组织的影响曲线的形状。高电荷的承载能力,由该地区的曲线,表明一个运作良好的设置。一个简短的电压脉冲用于振兴植入物。

微生物生物电化学系统是研究的一个新兴的领域与应用,如生物修复。

某些细菌是电化学活性,特别是当他们在组装的图层上表面,被称为生物膜。这些细胞在生物反应器,发展壮大,电化学控制。细胞生长在生物反应器中,用循环伏安法监测当前生成的细胞,从而确定当反应物被耗尽。

你刚看了朱庇特的简介循环伏安法。你现在应该明白如何运行和解释 CV 扫描。

谢谢观赏 !

Results

二茂铁在 300 mV/s 在乙腈中 CV 扫描进行和相应的伏安图如图 2所示。

ΔE可以来自基于EpaEpc 机之间的区别的图 2中的数据。

循环伏安曲线叠加在图 3 中代表连续实验不同的扫描速率相同系统上执行。如上文所述的p v1/2图 3中的插图) 与线性情节表明反应是扩散控制。

E1/2或氧化还原事件 (EpaEpc) 的位置可以用于确定配体对氧化还原活性金属中心提供的电化学响应的影响。图 4显示了一系列基于二茂铁的同族体,其不同的替换的 Cp 环上。如图 5所示,吸电子基团卤化物结果E1/2值的这种复杂将被转移到更积极的潜能,因为氧化的形式稳定的吸电子基团配体。电子基团甲基化合物 C 结果在 E1/2的转向更负电位稳定氧化的物种。

Figure 2
图 2。二茂铁在 150 mV/s 在乙腈中 CV 扫描。请点击这里查看此图的大版本。

Figure 3
图 3。引出了一个减少事件的含钴的化合物。插图显示线性相关性p v1/2.请点击这里查看此图的大版本。

Figure 4
图 4。一系列基于二茂铁的化合物。请点击这里查看此图的大版本。

Figure 5
图 5。由此产生的循环伏安曲线的 A-C (图 4) 显示了明显的转变在E1/2 连接到金属中心电子配体效应。请点击这里查看此图的大版本。

References

  1. Bard, A. J., Faulkner, L. A. Electrochemical methods: Fundamentals and Applications. 2nd ed. New York: Wiley; 833 p. (2001).
  2. Geiger, W. E., Connelly, N. G. Chemical Redox Agents for Organometallic Chemistry. Chem Rev. 96 (2), 877-910, (1996).

1.电解质溶液的制备

  1. 准备股票电解液 (10 毫升) 组成的 0.1 M [埠4N] [高炉4] 在 CH3CN。
  2. 电解质溶液置于电化学瓶、 小搅拌棒,加到小瓶上盖,如图 1所示。
  3. 检查以确保氮铅在电解质溶液中。搅拌和脱气一连串温柔干 N2气 (~ 10 分钟) 要删除氧化还原活性分子氧的电解质溶液。
  4. 在步骤 1.3 中,小心地插入工作电极 (例如玻碳)、 计数器 (Pt) 和参比电极 (Ag/AgNO3) 铁氟龙单元格顶部。连接单元格站到适当的电极。

Figure 1
图 1。安装程序的一种电化学电池。

2.获取后台扫描

  1. 定义为溶剂的实验条件。对于乙腈,扫描窗口通常是衣料 mV — —-2,000 mV。
  2. 运行并保存伏安法的扫描速率 (例如 20 mV/s、 100 mV/s,和/或 300 mV/s) 范围内的电解质溶液。
  3. 检查生成的扫描,以确保在电解质溶液中有无杂质或剩余的氧气。一个干净的系统会有无氧化还原事件。如果安装程序污染,电极和玻璃器皿将需要清洗和电解质溶液重塑使用清洁组件。

3.分析物溶液的制备

  1. 结合分析物 (~ 2 5 毫米,终浓度) 与电解质溶液制备上述利益。
  2. 检查以确保氮铅在电解质溶液中。搅拌和脱气一连串温柔干 N2气 (~ 10 分钟) 要删除氧化还原活性分子氧的检测分析物电解液。

4.循环伏安法的被分析物

  1. 从 20 执行扫描速率的多个循环伏安法实验 mV — — 1,000 mV (取决于单元格站能力)。开始每次扫描使用计算潜在的开路。
  2. 有条不紊地改变扫描方向 [(+ to –) 和 (— — 到 +)] 和扫描窗口来隔离感兴趣的氧化还原事件。伏安法应该总是从零电流 (开路)。二茂铁 (Fc) 发生氧化反应向芳茂铁 (Fc+)。
  3. 很多团体规范数据到 Fc/Fc+氧化还原夫妇。在本练习中,~ 2 毫克的 Fc 添加到被分析物的解决方案,用于引用目的重复步骤 4.2。在数据分析中,所有的光谱被规范化为 Fc/Fc+夫妇设置为 0.00 V。归一化的还原电位表是可用2

5.清洗电极和电化学电池

  1. 仔细地松开和删除每个电极的电化学电池。
  2. 冲洗用乙腈参比电极,用 Kimwipe 干。存储在参考电极的存储解决方案。
  3. 轻轻地清洁工作和反电极制造商的指导方针要求 (例如巴斯: http://www.basinc.com/mans/pguide.pdf) 来删除积累一些实验过程中的氧化还原反应产品。

循环伏安法或简历,是一种用于研究广泛的电化学性能的分析物或系统技术。

伏安法实验对电化学体系,应用电位扫描,然后测量产生的电流。与当前的应用潜力产生图叫做伏安法。

循环伏安法执行的相同的方式,只是线性电位扫描达到设定的值后,它然后加大在相反的方向返回到初始的潜力。伏安法,特别是山峰和峰值位置的形状关键洞察分析物,如氧化还原或氧化还原电位的属性。

此视频将说明如何安装、 运行和解释循环伏安法实验在实验室里。

循环伏安法通常被执行三电极的单元格中。第一,工作电极是感兴趣的反应。工作电极通常是惰性材料,如黄金、 铂金、 或碳。

下一步,反电极用来关闭电流电路的单元格中。它也是由惰性材料,最频繁的铂丝组成。最后,参比电极用于作为一个参考点系统,因为它有稳定和知名的可能。因此,所施加的电位报道与参考电位。

该单元格包含溶解在溶剂中的分析物。溶剂与被测物,不能反应,不能氧化还原所需的扫描窗口内活跃。在大多数实验中,支持电解质用于最小化溶液电阻。电解液通常是盐溶液,因为它具有高离子强度和电导率。

要运行中三电极电池的电化学测试,将当前流致工作和反电极之间。由操作计数器电极的极化,控制的应用的潜力。然而,可能被测量工作电极和参比电极的已知稳定潜力之间。保持指定的工作和参考电极间电势差,后来调整潜力。

在简历的实验中,潜力线性增加的"开关"的潜力,然后转回起始的潜力,从而使"周期性"的扫描。潜在的限制被称为扫描窗口。由此产生的伏安图显示系统中氧化还原事件所对应的功能。

对于单电子氧化还原事件,向前电位扫描结果在阴极的峰值。在这"阴极峰电位,"被分析物的减少,意味着获得电子。反向扫描导致阳极的峰值,氧化发生的位置。在这"阳极峰电位,"电子脱离产品形成在前扫了。这些山峰的形状是高度依赖分析物的浓度、 扫描速度和实验条件。

既然已解释循环伏安法的基本知识,让我们看看如何在实验室中运行 CV 扫描。

开始执行程序,准备 10 毫升的电解液股票。添加一种电化学电池的电解质溶液。添加小搅拌棒、 搅拌盘置于单元格和限制它。

搅拌和脱气温柔的氮气流解决方案。这将删除氧气,是氧化还原活性。在使用前冲洗与溶剂参比电极,用 Kimwipe 干。然后,轻轻地清洁工作和反电极制造商的指导方针要求。

虽然解决方案脱气,将三个电极插入铁氟龙单元格顶部。将电极连接到设置的合适的潜在顾客。

获得背景扫描,以验证该解决方案不是电化学活性的扫描窗口范围。从结果扫描,确认有无杂质或剩余的氧气。如果氧化还原事件目前,清洁电极和玻璃器皿,和改造解决方案。

与电解质溶液相结合利益被分析的物。搅拌和脱气与要删除氧干燥氮气流解决方案。执行多个循环伏安法实验在多个扫描速率,根据系统功能。凡没有电流开始开路电位值在每次扫描。

有条不紊地会扫描窗口来隔离感兴趣的氧化还原事件发生变化。不同扫描方向,以确保它不会影响的事件。执行此步骤以多种扫描速度。一旦收集了所有的扫描,松开并从单元格中删除每个电极。冲洗参比电极,用金擦干。将它存储在电极的存储解决方案。轻轻地清洁存储之前, 的工作和反电极和冲洗电极细胞。

由此产生的循环伏安法进行了分析并指出还原和氧化事件在每个实验的设置下的电位和电流数据。

简历可以用于确定是否氧化还原反应是可逆的或不可逆。在可逆系统中,氧化与还原发生,生产各自的山峰。此外,到阳极电流的阴极电流的比例应该是大约 1。最后,在可逆系统中,平均峰电位不受潜在的扫描速率。

在不可逆系统中,那里是没有反向峰值。此外,峰值电流应扫描速率的平方根成正比。

使用电活性物种受益 CV 实验研究的许多领域。

多巴胺是长期研究的神经递质,其重要性是药物滥用、 精神疾病和退行性疾病。检查在实时的多巴胺的释放的能力一直是神经科学的目标。在此示例中,在大脑中多巴胺氧化用微电极,使用品种测量各种药理剂被应用于大脑感兴趣区域的测试及其对多巴胺释放的影响。

神经记录假肢的能力随时间后植入术。在此示例中,简历用于监视植入物的有效性。

电极材料和粗糙度,以及周围组织的影响曲线的形状。高电荷的承载能力,由该地区的曲线,表明一个运作良好的设置。一个简短的电压脉冲用于振兴植入物。

微生物生物电化学系统是研究的一个新兴的领域与应用,如生物修复。

某些细菌是电化学活性,特别是当他们在组装的图层上表面,被称为生物膜。这些细胞在生物反应器,发展壮大,电化学控制。细胞生长在生物反应器中,用循环伏安法监测当前生成的细胞,从而确定当反应物被耗尽。

你刚看了朱庇特的简介循环伏安法。你现在应该明白如何运行和解释 CV 扫描。

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