1“電化學工作站”的誕生和發(fā)展

　　電化學是研究電和化學反應相互關系的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現(xiàn)，二者統(tǒng)稱電化學，后者為電化學的一個分支，稱放電化學。因而電化學往往專指“電池的科學”。

　　1791年，伽伐尼發(fā)表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的“動物電”現(xiàn)象，一般認為這是電化學的起源。

　　1799年，伏打在伽伐尼工作的基礎上發(fā)明了用不同的金屬片夾濕紙組成的“電堆”，即現(xiàn)今所謂“伏打堆”。這是化學電源的雛型。在直流電機發(fā)明以前，各種化學電源是能提供恒穩(wěn)電流的電源。

　　1834年，法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)為電化學奠定了定量基礎。

　　19世紀下半葉，經過赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦于電池的“起電力”以明確的熱力學定義；

　　1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質濃度與電極電勢的關系，即著名的能斯脫公式；

　　1923年，德拜和休克爾提出了被人們普遍接受的強電解質稀溶液靜電理論，大大的促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發(fā)展。

　　20世紀40年代以后，電化學暫態(tài)技術的應用和發(fā)展、電化學方法與光學和表面技術的聯(lián)用，使人們可以研究快速和復雜的電極反應，提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科，它的發(fā)展與固體物理、催化、生命科學等學科的發(fā)展相互促進、相互滲透。

　　02“電化學工作站”的結構和原理

　　恒電位儀的運行原理

　　電化學測量系統(tǒng)簡稱為電化學工作站，為電化學研究和教學常用的測量設備。其主要包括單通道工作站和多通道工作站兩大類，在生物技術、物質的定性定量分析等方面應用。

　　從整體上而言，恒電位屬于一個放大負反饋的輸出系統(tǒng)，和如埋地管道等被保護物組成閉環(huán)調節(jié)，利用參比電極來對通電點電位進行測量，作為取樣信號與控制信號相比較，使得極化電流輸出的控制和調節(jié)得以實現(xiàn)，使通電電位能夠在設定的控制電位上得以保持。

　　僅需正確地計算設計放大倍數，取樣信號特性與儀器輸入輸出特性的線性一致足夠，并且能夠良好地進行調整。在額定工作范圍內，保護物通電點的電位與設定的控制電位通過恒電位儀保持一致，誤差通常小于5毫伏。正是由于使通電點電位和恒定保持接近的性質，所以被叫做恒電位儀。

　　運行原理

　　防護輸氣管道腐蝕的有效方法，即為陰極保護法。陰極保護系統(tǒng)的控制zhong心和電源，即為恒電位儀。連接恒電位儀的正極電纜與輔助陽極，在通電以后使一個半球面電場在地下形成，在被保護管道上接負極，連接參比電極接線柱與參比電極，在管道附近埋設參比電極，對輸氣管道電位進行測量，對保護效果進行監(jiān)測。開啟恒電位保護以后，由恒電位儀正極流出保護電流，通過輔助陽極往土壤中進入，再往管道上流入，又沿著陰極導線往電源負極返回，從而對管道起到了保護的作用。

　　03“電化學工作站”的分類

　　電化學工作站主要有2大類：

　　單通道工作站

　　多通道工作站

　　區(qū)別在于多通道工作站可以同時進行多個樣品測試，較單通道工作站有更高的測試效率，適合大規(guī)模研發(fā)測試需要，可以顯著的加快研發(fā)速度。

　　04“電化學工作站”的應用領域

　　1．納米科學研究

　　2．傳感器研究

　　3．金屬腐蝕研究

　　4．電池研究

　　5．研究電化學機理

　　6．生物技術

　　7．物質的定性定量分析

　　8．常規(guī)電化學測試

　　基本原理及應用

　　1.穩(wěn)態(tài)測試：恒電流法及恒電勢法

　　所謂的穩(wěn)態(tài)，即電化學參量（電極電勢，電流密度，電極界面狀態(tài)等）變化甚微或基本不變的狀態(tài)。常用的穩(wěn)態(tài)測試方法，當然就是恒電流法及恒電勢法，故名思意，就是給電化學體系一個恒定不變的電流或者電極電勢的條件。

　　通常我們可以利用恒電位儀或者電化學工作站來實現(xiàn)這種條件。通過在電化學工作站簡單地設置電流或電勢以及時間這幾個參數，就可以有效地使用這兩種方法啦。該方法用的比較多的地方主要有：活性材料的電化學沉積以及金屬穩(wěn)態(tài)極化曲線的測定等等。

　　▲不同掃速下金屬的穩(wěn)態(tài)極化曲線

　　2.暫態(tài)測試：控制電流階躍及控制電勢階躍法

　　所謂的暫態(tài)，當然是相對于穩(wěn)態(tài)而言的。在一個穩(wěn)態(tài)向另一個穩(wěn)態(tài)的轉變過程中，任意一個電極還未達到穩(wěn)態(tài)時，都處于暫態(tài)過程，如雙電層充電過程，電化學反應過程以及擴散傳質過程等。

　　常見的方法要數控制電流階躍法以及控制電勢階躍法這兩種。控制電流階躍法，也叫計時電位法，即在某一時間點，電流發(fā)生突變，而在其他時間段，電流保持相應的恒定狀態(tài)。

　　▲計時電位法電流階躍（左圖）及相應的電勢變化（右圖）

　　同理，控制電勢階躍法也就是計時電流法，即在某一時間點，電勢發(fā)生突變，而在其他時間段，電勢保持相應的恒定狀態(tài)。

　　▲計時電位法電勢階躍（左圖）及相應的電流變化（右圖）

　　利用這種暫態(tài)的控制方法，一般可以探究一些電化學變化過程的性質，如能源存儲設備充電過程的快慢，界面的吸附或擴散作用的判斷等。計時電流法還可以用以探究電致變色材料變色性能的優(yōu)劣。

　　3.伏安法：線性伏安法，循環(huán)伏安法

　　伏安法應該算是電化學測試中尤為常用的方法，因為電流、電壓均保持動態(tài)的過程，才是常見的電化學反應過程。一般而言，伏安法主要有線性伏安法以及循環(huán)伏安法，兩者的區(qū)別在于，線性伏安法“有去無回”，而循環(huán)伏安法“從哪里出發(fā)就回哪去”。線性伏安法即在一定的電壓變化速率下，觀察電流相應的響應狀態(tài)。同理，循環(huán)伏安法也是一樣，只不過電壓的變化是循環(huán)的，從起點到終點再回到起點。

　　線性伏安法使用的領域較廣，主要包括太陽能電池光電性能的測試，燃料電池等氧還原曲線的測試以及電催化中催化曲線的測試等。而循環(huán)伏安法，主要用以探究超級電容器的儲能大小及電容行為、材料的氧化還原特性等等。

　　圖片

　　▲左圖為線性伏安測試太陽能電池的開路電壓及短路電流；

　　中間為循環(huán)伏安法測試電容行為較強的碳材料；

　　右圖為含有氧化還原行為的電極材料的循環(huán)伏安測試

　　4.交流阻抗法

　　交流阻抗法的主要實現(xiàn)方法是，控制電化學系統(tǒng)的電流在小幅度的條件下隨時間變化，同時測量電勢隨時間的變化獲取阻抗或導納的性能，進而進行電化學系統(tǒng)的反應機理分析及計算系統(tǒng)的相關參數等。交流阻抗譜可以分為電化學阻抗譜（EIS）和交流伏安法。EIS探究的是某一極化狀態(tài)下，不同頻率下的電化學阻抗性能；而交流伏安法是在某一特定頻率下，研究交流電流的振幅和相位隨時間的變化。

　　這里我們重點介紹一下EIS。由于采用小幅度的正弦電勢信號對系統(tǒng)進行微擾，電極上交替出現(xiàn)陽極和陰極過程，二者作用相反，因此，即使擾動信號長時間作用于電極，也不會導化現(xiàn)象的積累性發(fā)展和電極表面狀態(tài)的積累性變化。因此EIS是一種“準穩(wěn)態(tài)方法”。通過EIS，我們一般可以分析出一些表面吸附作用以及離子擴散作用的貢獻分配，電化學系統(tǒng)的阻抗大小、頻譜特性以及電荷電子傳輸的能力強弱等等。

　　▲EIS中Nyquist

　　05“電化學工作站”的常見問題及故障

　　故障一：數據保存

　　故障表現(xiàn)：數據無法從通道中保存(通道在軟件中顯示黃色，當嘗試保存數據時，系統(tǒng)顯示錯誤信息)

　　故障解決：

　　(1)確認被保存的數據沒有被移動，刪除，被其他應用打開。

　　(2)如果被保存的文件在網絡驅動上，確保有權限將數據寫入同樣的目錄里(創(chuàng)建刪除文件)。別的就是看下網絡授權。

　　(3)在軟件中選擇Tools,Repair...然后選擇保存文件，點擊維修按鈕。

　　(4)確保實驗開始前電腦的IP地址沒有被修改。

　　故障二：電腦數據保存選項的影響

　　故障解決：通常，電化學實驗會持續(xù)很長，期間，電腦應該可以記錄數據點，如果使用人用硬盤去保存，數據把保存要失效。為了避免如此，我們建議使用人將電源保存選項從電腦設置板前移走。

　　故障三：PC斷開

　　故障表現(xiàn)：電腦和儀器連接斷開(在軟件狀態(tài)欄中斷開顯示紅色)。

　　故障解決：

　　(1)檢查PC和儀器的連接，包括：直接連接(確保網線連接兩個終端)以及網連接(確保儀器前面的黃燈在閃，你有權使用電腦的網絡)。

　　(2)檢查綠燈在閃(這個證明多通道電化學工作站在正常運行)。

　　(3)在文件描述窗口類型“r”或“R”：這將重新開始網絡系統(tǒng)連接，這是儀器固件的一部分。

　　警告：這個選項不是單獨的工作，因此這是僅僅以防這種問題的解決方法。

　　如何判斷電極電纜線內部是否斷路?

　　如果在測試過程中，發(fā)現(xiàn)基本無電壓或者電流輸出時，則電極電纜線斷裂的可能性較高。檢查電極電纜線是否斷路，將電極電纜線從儀器上拔下，與儀器相連的一端有四個孔，四個孔旁分別標了數字1，2，3，4，1號孔對應的是紅色鱷魚夾，2號孔對應的是黃色鱷魚夾，3號和4號孔對應的是綠色鱷魚夾，黑色鱷魚夾則與電極插座的金屬外殼相連。將數字萬用表打到二極管檔位，將一根表筆用電極夾夾住，另外一根表筆插入相應的電極插孔，如果萬用表發(fā)出“滴”的聲響，則表明線路通暢，反之，則表示其斷路。同樣地方法檢查參比電極與工作電極的線是否導通。