常用电化学研究方法及技术

【摘 要】在当前国内外纳米材料开发与研究大背景下，电化学评价手段能够有效地用于表征产品的多种电化学性质。本文主要论述了几种常用的电化学研究方法及技术在纳米产品评价方面的基本原理、适用范围以及操作要点，并对数据的结果进行系统解释。通过总结当前涉及的多种电化学研究方法，作者对下一步复杂电化学测试系统进行了预期。

【关键词】电化学测试；研究方法；测试技术

1 背景介绍

基于电化学基本原理所构建的多种电化学研究方法与技术，诸如常见的循环伏安法、线性极化曲线、恒流/恒压充放电以及交流阻抗技术等，在当前国内外纳米材料开发中被认为是表征产品电化学活性的常用手段。电化学研究方法与技术作为对材料物理表征的深入研究，其主要优点在于评价体系简单，操作条件温和，针对性强，周期短等，适合用于筛选高电化学活性的各种纳米材料产品，诸如电化学储能材料，电化学催化材料、电化学发光材料等。以下从电化学体系建立及电化学常规测试技术两方面进行介绍。

2 电化学体系

2.1 两电极体系

由研究电极（也成工作电极）、对电极和适当电解液所构成的电化学体系成为两电极体系。两电极体系是电化学测试中最简单的研究模型，其特点在于构建简单，测试便捷，适用于工业产品开发的定性测试。其缺点在于，所测得的产品性能只是近似结果，不能作为定量分析的基础数据。该体系建立的要点为：对电极一般采用惰性电极（如石墨等），并且对电极在测试中的极化应远远低于研究电极。定性分析适用范围：电化学储能材料，电化学催化材料的综合性能等。

2.2 三电极体系

根据电化学的基本原理，为了精确获得研究电极表面电位与电化学反应之间的因果关系，通过引入参比电极来实现对研究电极电位进行可控性研究的“工作电极+对电极+参比电极”的体系我们称之为三电极体系。三电极体系用于评价材料电化学性能的优点在于易于构建，模型严格，适用于专业级别的产品性能定量分析。然而不足之处在于该体系需要专业工程师进行操作，普及可行性较低。该体系的建立要点为：三电极一般在电解质互相连通的三个舱室中分别放置，并且参比电极需要采用双盐桥进行保护。定量分析适用范围：材料的储能容量，氧化还原可逆性，塔菲尔曲线，表观催化活化能等。

3 常规电化学研究方法与技术

3.1 循环伏安法

循环伏安（CV）法是指在某一电位窗口内通过连续改变研究电极表面电位从而获取材料电化学活性的方法。该方法采集数据时一般扫速控制在10mV/s及以上。循环伏安法主要用于评价产品在测试体系中的电化学氧化还原反应的活性以及电位等信息，包括如下几个方面：（a）氧化还原峰及峰值电流，用于分析产品电化学基本活性及可逆储能容量；（b）氧化还原峰峰值电位及差值，用于分析产品的氧化还原可逆性高低；（c）氧化还原对的电位窗口，用于分析产品电位适用性；（d）不同扫速下的电极行为，用于分析产品快速电化学反应活性。

3.2 线性扫描伏安法

线性扫描伏安法（LSV，又称极化曲线）是指在单方向极化（阳极极化或阴极极化）条件下获取界面电化学反应活性的方法。该方法采集数据时扫速较低，一般控制在10mV/s及以下。线性循环伏安法主要用于评价产品的电化学单极反应活性（指阳极反应活性或阴极反应活性）以及电位等信息，包括如下几个方面：（a）完全极化电位，用于分析产品的极化信息；（b）电化学反应电位，用于分析产品的单极反应电位或初始催化电位；（c）Tafel曲线，用于分析产品的电化学催化活性并计算基本参数，如塔菲尔斜率，表观活化能等。

3.3 恒流/恒压充放电

恒流/恒压充放电是指通过恒定电流或电位来控制电极表面交替发生氧化还原反应，从而研究产品储能性能的方法。该类方法主要应用于电化学能量存储的活性材料评价，诸如锂离子电池、超级电容器等。所采集的信息包括如下几个方面：（a）产品充放电容量，用于分析单位质量产品所能存储的实际电能及库伦效率；（b）倍率性能，用于分析产品在不同电流密度下所能存储的电能以及由于高极化产生的能量损失行为；（c）不同电流或同一电流下的循环寿命，用于分析产品的电化学储能的循环可逆性，从而研究其循环稳定性。

3.4 交流阻抗谱

交流阻抗谱（EIS）是通过输入一系列不同频率的震荡波从而获取电极表面电化学反应动力学基本信息的方法。该方法主要从深层次研究电极过程动力学基本行为，适用于高级电极机理的研究。所采集的信息包括如下几个方面：（a）溶液及隔膜电阻信息，用于分析单位单位面积溶液电阻或隔膜电阻；（b）产品反应内阻，用于分析产品在电化学反应中内部电阻的变化行为及库伦效率；（c）扩散控制下的电极行为，用于分析产品在其它因素控制下的电极行为及综合性能。

4 前景展望

电化学研究方法及技术在现代材料开发中，尤其是电化学功能材料开发中，发挥着越来越重要的作用，因此建立统一、有效的电化学测试手段是本专业的基本任务之一。在未来的研究中，电化学测试技术应向着两方面发展：一方面是，专一性能测试手段的发展，可有效评价材料某一单纯的性能；另一方面是，综合交叉测试手段的发展，可以系统评价材料的多种特性。

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[责任编辑：王伟平]