電化學(xué)工作站基本原理，應(yīng)用及選型

電化學(xué)工作站（Electrochemical workstation） 是電化學(xué)測量系統(tǒng)的簡稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)常用的測量設(shè)備。主要有2大類，單通道工作站和多通道工作站。應(yīng)用于生物技術(shù)、物質(zhì)的定性定量分析等。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：

• 研究電化學(xué)機(jī)理

• 生物技術(shù)（醫(yī)療診斷，可穿戴）

• 物質(zhì)的定性定量分析（重金屬、農(nóng)殘、食品、水質(zhì)監(jiān)測）

• 常規(guī)電化學(xué)測試（電合成、電催化、電沉積、光致電化學(xué)、電化學(xué)發(fā)光）

• 納米科學(xué)研究

• 傳感器研究（氣體傳感器和生物傳感器， DNA、免疫、病毒）

• 腐蝕及防護(hù)研究（金屬腐蝕、緩蝕劑、涂層）

• 能源材料研究（鋰電池、太陽能電池、燃料動力電池）

• 電鍍研究（銅含量的分析）

1、 三電極體系

三電極體系含兩個回路，一個回路由工作電極和參比電極組成，用來測試工作電極的電化學(xué)反應(yīng)過程，另一個回路由工作電極和輔助電極組成，起傳輸電子形成回路的作用。

如上所述，三電極體系包括工作電極、對電極和參比電極，那么它們的選擇標(biāo)準(zhǔn)又是什么呢？

1.1工作電極

一般的工作電極需滿足以下三個條件：

①所研究的電化學(xué)反應(yīng)不會因電極自身所發(fā)生的反應(yīng)而受到影響，并且能夠在較大的電位區(qū)域中進(jìn)行測定。

②電極必須不與溶劑或電解液組分發(fā)生反應(yīng)。

③電極面積不宜太大，電極表面最好是均一平滑，且能夠通過簡單的方法進(jìn)行表面凈化。

常見的“惰性”固體電極有玻碳、鉑、金、銀、鉛、導(dǎo)電玻璃（FTO,ITO等）。常用的液體電極有液態(tài)汞。采用固體電極時，為了保證實驗的重現(xiàn)性，需注意建立合適的電極預(yù)處理步驟。

1.2輔助電極（counter electrode）

輔助電極也叫對電極，其作用是和工作電極組成一個串聯(lián)回路，只起到導(dǎo)電的作用。

在電化學(xué)研究中經(jīng)常選用性質(zhì)比較穩(wěn)定的材料，比如鉑或者石墨。（在需要長時間電化學(xué)實驗的體系中最好選擇石墨電極，因為最近的很多文獻(xiàn)表明，當(dāng)選用Pt做對電極時，長時間的測試往往會使Pt溶解，工作電極在掃描的過程中會沉積Pt，從而可能會影響工作電極的活性）

為了減少輔助電極極化對工作電極的影響，輔助電極本身的電阻要小，并且不易極化，其面積通常要求大于工作電極。其原因是在相同的電流下，如果電極面積大，那么電流密度小，根據(jù)B-V方程，其過電位小，極化小，因此電化學(xué)工作站的靈敏度高，干擾小。反過來說，當(dāng)工作電極的面積非常小時，極化電流引起的輔助電極的極化可以忽略不計，即輔助電極的電勢在測量中始終穩(wěn)定，此時輔助電極可以作為測量回路中的電勢基準(zhǔn)，即可作為參比電極。例如，研究超微電極時，可用二電極體系就可以完成測量。

1.3參比電極（reference electrode）

一般的參比電極需滿足以下三個條件：

①電極電勢已知且穩(wěn)定，重現(xiàn)性好的可逆電極。即電極過程的交換電流密度相當(dāng)高，是不極化或難極化電極，因此能迅速建立熱力學(xué)平衡電位，其電極電勢符合Nernst方程。

②參比電極內(nèi)的電解液不與電解池中的電解液或相關(guān)物質(zhì)反應(yīng)。

③電極電位的溫度系數(shù)小。

④參比電極中的電解液離子滲透到溶液中不會影響工作電極的反應(yīng)。

常用的參比電極有：飽和甘汞電極（SCE）、Ag/AgCl電極、可逆氫電極（RHE）、Hg/HgO電極、Hg/Hg2SO4電極等。

一般在酸性或中性溶液中選擇飽和甘汞電極（SCE）或Hg/Hg2SO4電極，在堿性溶液中選擇Hg/HgO電極。當(dāng)然如果使用鹽橋，SCE在堿性溶液中也是可以使用的，前提是排除Cl離子對工作電極的影響。

2、電化學(xué)測試簡述

電化學(xué)測定方法是將化學(xué)物質(zhì)的變化歸結(jié)為電化學(xué)反應(yīng)，也就是以體系中的電位、電流或者電量作為體系中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的量度進(jìn)行測定的方法。

常用的電化學(xué)測試方法技術(shù)

計時電流法（CA）、計時電位法（CP）、開路電位（OCP）、循環(huán)伏安法(CV)、線性掃描伏安法(LSV)、差分脈沖伏安法(DPV)、常規(guī)脈沖伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)、交流阻抗（EIS）等。

3、電化學(xué)工作站的應(yīng)用

3.1腐蝕與防護(hù)的研究：恒電位極化，恒電流極化，線性極化，循環(huán)極化，腐蝕電位，電化學(xué)阻抗譜(EIS)等（極化電阻、腐蝕速率，塔菲爾曲線） 。旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）模擬海洋船舶和管道液體流動狀態(tài)。

腐蝕測試電解池、平板腐蝕測試池、涂層評價測試池、吸盤式腐蝕測試電解池等各種腐蝕測試池。

3.2電池能源的研究：循環(huán)伏安（最小掃速0.02 mV/s），恒電位、恒電流充放電，開路電位，GITT和PITT。

3.3電化學(xué)氣體傳感器的研究及測試：

電化學(xué)體系氣體傳感器使用計時電流法（或電流檢測）進(jìn)行測試，大多數(shù)傳感器，如生物傳感器或氣體傳感器，需要使用此技術(shù)。儀器應(yīng)用恒定的電位Edc，電流以恒定間隔時間采樣測量。根據(jù)通氣體后輸出電流信號夠判斷傳感器的性能。

3.4 利用陽極溶出伏安法測定痕量重金屬：

施加一定的電位下，使待測金屬離子部分地還原成金屬并溶入微電極或析出于電極的表面，然后向電極施加反向電壓，使微電極上的金屬氧化而產(chǎn)生氧化電流，根據(jù)氧化過程的電流一電壓曲線進(jìn)行分析的電化學(xué)分析法。

3.5 食品檢測和醫(yī)療診斷

檢測土豆中葡萄糖和蔗糖、牛奶中的乳糖、白葡萄酒中的亞硫酸鹽、大蒜的效力和辣椒的辣度等。

3.6多通道光致電化學(xué)分析系統(tǒng)

化學(xué)工作站與多功能LED光源連用時，可實現(xiàn)多種光電化學(xué)同步測量。