隨著鋰離子電池，超級電容器，光電催化等熱門領(lǐng)域的興起，電化學(xué)越來越成為學(xué)術(shù)圈膾炙人口的詞匯。那么，其實什么是電化學(xué)呢？

    圖1 電化學(xué)經(jīng)典教材

    所謂的電化學(xué)，是電作用與化學(xué)作用相互關(guān)聯(lián)的一個化學(xué)學(xué)科的分支，主要包括通過電流調(diào)整化學(xué)反應(yīng)以及通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電這兩種類型。其中就包括了大量的反應(yīng)現(xiàn)象（電泳、腐蝕等）、各類器件（電致變色智能窗、各類電池、電分析傳感器等）以及各類技術(shù)（金屬電鍍等）。通過一些固定的輸入（如恒電流、恒電壓、階梯電勢等）來獲取輸出的電信號，從而反映出電極材料的界面結(jié)構(gòu)、界面上的電勢分布以及在這些界面上進(jìn)行的電化學(xué)過程等，這就是我們常說的電化學(xué)測試。

    電化學(xué)測試的方法很多，根據(jù)測試的內(nèi)容可以分為三類：1.電化學(xué)熱力學(xué)性質(zhì)方面的測試；2.動力學(xué)性質(zhì)的測試；3.結(jié)合光譜波譜技術(shù)、引入光信號等進(jìn)行的綜合測試。

    而如果根據(jù)測試的特質(zhì)，又可以分為以下幾大類：1.穩(wěn)態(tài)測試方法；2.暫態(tài)測試方法；3.伏安法；4.交流阻抗法等。這里小編只給大家簡單介紹一些使用最普遍，功能最強大的電化學(xué)測試方法。在此之前，先對電化學(xué)測試最常用的三電極測試體系進(jìn)行簡單介紹。

    所謂的三電極體系，是為了排除電極電勢因極化電流而產(chǎn)生的較大誤差而設(shè)計的。它在普通的兩電極體系（工作電極與對電極）的基礎(chǔ)上引入了用以穩(wěn)定工作電極的參比電極，如圖2示。如左圖，電解池由三個電極組成：工作電極（W），對電極（C）以及參比電極（R）。

    W是主要的電極研究和操作對象，R是電勢電極的比較標(biāo)準(zhǔn)，而C主要用以通過極化電流，實現(xiàn)對電極的極化。右圖中，我們可以看到，三電極體系在電路中時，P代表極化電源，為研究電極提供極化電流。mA和V分別為電流表和電壓表，用以測試電流和電勢。P, mA, C, W構(gòu)成的左側(cè)回路，稱為極化回路，在極化回路中有極化電流通過，可對參比電極進(jìn)行測量和控制。V, R, W構(gòu)成了右側(cè)回路，稱為測量控制回路。在此回路中，對研究電極的電勢進(jìn)行測量和控制，由于回路中無極化電流流過，僅有極小的測量電流，所以不會研究電極的極化狀態(tài)和參比電極的穩(wěn)定性造成干擾。由此可見，三電極體系可使研究電極表面通過極化電流，又不會妨礙研究的電極電勢的控制和測量，可同時實現(xiàn)電勢和電流的控制和測量。所以，大部分電化學(xué)研究測試均在三電極體系完成。

    圖2 三電極體系結(jié)構(gòu)圖及電路圖

    接下來，小編就把最常用的幾種電化學(xué)測試手段進(jìn)行簡單介紹。

    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(xué)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)。最常用的穩(wěn)態(tài)測試方法，當(dāng)然就是恒電流法及恒電勢法，故名思意，就是給電化學(xué)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(xué)工作站來實現(xiàn)這種條件。通過在電化學(xué)工作站簡單地設(shè)置電流或電勢以及時間這幾個參數(shù)，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(xué)沉積以及金屬穩(wěn)態(tài)極化曲線的測定（如圖3）等等。

    圖3 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(dāng)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(zhuǎn)變過程中，任意一個電極還未達(dá)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(xué)反應(yīng)過程以及擴(kuò)散傳質(zhì)過程等。最常見的方法要數(shù)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(yīng)的恒定狀態(tài)。

    圖4 計時電位法電流階躍（左圖）及相應(yīng)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(yīng)的恒定狀態(tài)。

    圖5 計時電位法電勢階躍（左圖）及相應(yīng)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(xué)變化過程的性質(zhì)，如能源存儲設(shè)備充電過程的快慢，界面的吸附或擴(kuò)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(yīng)該算是電化學(xué)測試中最為常用的方法，因為電流、電壓均保持動態(tài)的過程，才是最常見的電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)的響應(yīng)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(lǐng)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6 伏安法電化學(xué)測試：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(xué)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?qū)Ъ{的性能，進(jìn)而進(jìn)行電化學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理分析及計算系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)等。交流阻抗譜可以分為電化學(xué)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(xué)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(jìn)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(dǎo)致極化現(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(zhǔn)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(kuò)散作用的貢獻(xiàn)分配，電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗大小、頻譜特性以及電荷電子傳輸?shù)哪芰娙醯鹊取?/span>

    圖7 EIS中Nyquist圖譜

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