ce氧化还原电位测定

Ce3+/Ce4+氧化还原反应的循环伏安测试实验

（实验设计人周德壁）

铈（Ce）是我国较丰富的稀土资源之一。Ce 在溶液中以Ce3+、Ce4+等不同价态的离子存在。Ce3+/Ce4+构成氧化还原对，其标准还原电位较高（E= 1.715 V）。从热力学的角度出发，铈的可溶盐的溶液可以作为高能氧化还原电池的正极材料。

有两个因素限制了铈在这方面的开发应用：（1）Ce 在水溶液中的溶解度较低；（2）与其相匹配的负极电解液的确定。对此，近来在国外已取得了一些突破。用甲基磺酸（MSA）配制铈的电解液已获得较为满意的溶解度。此外，用Zn，Cr2+，V2+，Ti3+作负极材料也显示可行。从我国的资源利用及技术可行性出发，尽快开展以铈为正极材料的研究开发具有重要的意义。

循环伏安法是一种经典的电化学研究方法，其工作原理涉及电化学领域多方面的较为成熟的理论。这种测试对设备没有特殊要求，且实验操作简便。.测试结果可以提供有关反应机理和反应动力学的丰富的信息。

在本实验中，学生将在教师的指导下，运用循环伏安等方法研究Ce3+/Ce4+在电极上的氧化还原反应机理和动力学。通过实验工作，学生有机会运用电化学的基本理论知识，处理实际问题，并能亲身领略化学电源的前沿科研课题。

一、实验目的与要求

在第一部分实验中，学生运用循环伏安方法对快速、可逆反应：

进行测定，并作数据处理。初步掌握循环伏安方法的运用，从实验结果获取有关反应行为的信息，巩固有关电极反应可逆性、反应速率、反应动力学等电化学基本概念。

在第二部分实验中，学生运用循环伏安方法研究Ce3+/Ce4+在电极上反应的动力学和机理；组装并测试电池的性能。初步掌握氧化还原电池的基本概念及结构，电池基本性能的测试方法。了解氧化还原概念与结构，以及国内外在这方面的最新进展。

要求：

①学生复习电化学，循环伏安法的基本原理；

②上网或通过其他途径，查阅有关稀土铈的物理化学性质，资源及应用现状；

③了解氧化还原电池的基本原理、基本结构以及研究开发的最新进展。

二、实验原理及步骤

在一个典型的循环伏安实验中，工作电极一般为浸在溶液中的固定电极。为了尽可能降低欧姆电阻，最好采用三电极系统。在三电极系统中，电流通过工作电极和对电极。工作电

极电位是以一个分开的参比电极（如饱和甘汞电极，SCE）为基准的相对电位。在循环伏安测试实验中，工作电极的电位以10 mV/s 到 200 mV/s 的扫描速度随时间线性变化(Fig.1a)，在此同时记录在不同电位下的电流(Fig.1b)。.

Fig.1 循环伏安法原理：(a) 循环电位扫描 (b) 循环伏安谱

如果电极表面上的电子转移过程的速率很快，电极表面上氧化态和还原态试样的浓度的比率服从Nernstian方程：

(1)

在这种条件下，电极反应式为可逆的反应。本实验第一部分所研究的以下电极反应是高度可逆的：

上述反应的伏安曲线的一般特征可用如Fig.2 所示。

Fig.2线性扫描曲线

可逆反应的线性扫描图谱的峰电位服从下面方程：

(2)

式中，E1/2为极谱的半波电位，半波电位值很接近标准电极电位E°。式（2）中的正号（+）适用于阳极反应峰(E pa)，负号适用于阴极峰(E PC)。对一个可逆反应，峰电位与扫描速度和浓

度无关。这些特征可用来判断电极反应的可逆性。E pa与E pc之差也可用来判断电极反应的可逆性。虽然一般稍微受到的影响（见Fig.1），仍基本上可以用下面公式来表示：

(at 25°C) (3)

在反复循环扫描过程中，阴极峰电流逐渐降低，阳极电流逐渐提高，直到出现稳态的特征，即△E p = 59/n rnV (at 25°C)。同时第一个循环的电流与第二个循坏的电流差别很大。5～10个循环以后，系统趋于稳定，伏安图谱不再随时间变化。

一般情况下，伏安图谱上的峰比较宽，因而难以确定峰电位。所以，有时以0.5 i p的电位（称为半峰电位E P/2）来对电极反应进行表征更方便。理论上，半峰电位与半波电位的关系为：

(4)

E p和 E p/2的差别为

(at 25°C) (5)

可逆反应的线性扫描的峰电流ip可有以下Randles-Sevcik方程给出：

(6)

A- 电极面积

D - 扩散系数

c- 浓度

n- 交换电子数

v - 扫描速率

k - Randles-Sevcik 常数(2.69*105 As/V m mol)

三、实验装置与操作

1、实验装置

电解池

工作电极：Pt-毛细电极

参比电极：饱和甘汞电极（SCE，E R = +0.24 V 相对于标准氢电极）

对电极： Pt 电极

电化学工作站，计算机

或者恒电位仪，x, y –记录仪

Fig.3 给出三电极系统实验装置示意图，图中仪器部分显示原理电路。

Fig.3 三电极系统实验装置示意图

在三电极系统中，恒电位仪控制工作电极(WE)与参比电极(RE)之间的电位差，参比电极的作用是为工作电极提供电位的坐标基础。在本实验中，工作电极与参比电极的电位差在-500mV 到 +300mV范围连续变化。当氧化还原物在氧化和还原态之间转换时，有电流在工作电极和对电极之间流过。电流与电位随时间的变化被记录下来，并以电流～电位曲线显示。

2、实验操作

（1）电解池的准备

在电解池中加入溶液，然后连接电极（注意在使用前和使用后用蒸馏水冲洗参比电极！）。这时向溶液通入氮气15 分钟，将溶液中的气体排出。

（2）设置测试参数

连接计算机和电化学工作站或者连接恒电位仪和记录仪。

根据所研究的体系确定扫描电位范围。

扫描速率为5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s, 50 m V/s 和 100 mV/s。从最高扫描速率开始。

（3）连接电解池与测量仪器

将电极安置到电解池上，使电极浸入电解液。

连接仪器和电解池。注意在对电解池和或恒电位仪进行操作时，将电解池与仪器的连接线路断开。

（4）通过计算机程序或者恒电位仪开关，启动测试，记录数据。

4、实验内容