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光谱电化学法基础知识系列

    60年代初期,美国著名电化学家RM. Adam教授在指导研究生T. Kuwana,进行邻苯二胺衍生物电化学氧化时,观察到电极反应,同时伴随有颜色变化,于是他提出了能不能设计出一种能看穿的电极,用光谱学的方法来识别所有形成的有色物质呢。这一新的的设想,在1964年由T. Kuwana,实现了。他第一次使用的光透电极(OTE)是在玻璃片上镀了一层薄层掺杂的SnO2,这种具有导电性的玻璃被称为Nesa玻璃,其作为一个电极的同时,还可以测量电解池中电活性物质的浓度对光的吸收,从而开创了光谱电化学研究领域。无论过去和将来光谱电化学都是电化学和电分析化学发展的最热门的研究领域之一。

  • 第一篇 绪论
  • 第二篇:光透电极⟨上⟩
  • 第三篇:光透电极⟨下⟩
  • 第四篇:光透薄层光谱电化学⟨1⟩

第一篇 绪论

      光谱电化学(Spectroelectrochemistry,简称SEC)是将光谱技术原位(in-suit)或非原位(ex-suit)的应用于研究电极溶液界面的电化学方法的总称。
      光谱电化学法(SEC)的特点是利用光谱电化学池,同时进行电化学和光谱测量,以了解电极表面和电极与溶液界面上的反应和分子的电子状态。
      光谱电化学测量法按光谱测量池进行分类,可以分成非现场型(ex-situ)和现场型 (in-situ)。前者是在电解池之外进行光谱测量考察电极的方法,例如低能电子衍射,Auger能谱,X线射线衍射光电子能谱等。这种非现场型测量的缺点是无法准确观测一些不稳定的电化学产物或中间体的状态,难以满足电化学机理研究的需要。后者是指光谱测量在电解池中进行,即在电化学操作的同时对电解池内部,特别是对电极/溶液界面状态和过程进行观测的方法称为现场法。例如:现场红外光谱,Raman光谱,荧光光谱,偏振光谱, 紫外可见光谱,顺磁共振谱,圆二色谱图等[1]。本系列将主要介绍紫外可见光谱电化学法,这种方法的研究最广泛,理论最完善,全面了解这种光谱电化学技术无论对该方法的广泛应用,还是其他光谱波谱电化学的进一步发展是很有意义的。
      光谱电化学方法,按光的入射方式可分为光透射法,反射法以及平行入射法。

图1-1. 光谱电化学方法按光的入射方法分
      图1-1 光谱电化学方法,按光的入射方式可分为光透射法,反射法以及平行入射法。
      透射法是入射光束,垂直横穿光透电极及其临接溶液的方法。如图(a)(b)反射法包括内反射法(c)和镜面反射法(d)两种。内反射法是入射光速通过光透电极的背后,并渗入电极溶液界面,使其入射角刚好大于反射角,光线发生全反射。镜面反射法则是让光从溶液一侧入射,到达电极表面后,并被电极表面反射平行入射法(e)(f),是让光速平行或近似平行的擦过电极及电极表面附近的溶液。
      光谱电化学法按电极附近溶液层的相对厚度,又可分为薄层光谱电化学法(b)(f),和半无限扩散光谱电化学法(a)(d)(e)。薄层光谱电化学法,涉及到电解池内活性物质的耗竭性电解,一般薄层光谱电化学实验中常采用较长的激发时间,如电位阶跃实验中较长的电解时间,和循环伏安法实验中较慢的电位扫描速率等。半无限扩散光谱电化学实验中一般采用较短的激发时间。常用的电信号为单电位阶跃,双电位阶跃,线性电位扫描和恒电流等。
      对于通常简单的透射式实验,可采用一般的实验室用光谱仪。光谱仪的种类繁多,与电化学测量结合使用时,应考虑电化学测量的电极连接,实验室的空间大小,系统安装难易等要素,推荐使用检测器为CCD阵列的小型分光光谱仪。此类光谱仪一般通过电脑控制软件进行光谱测量控制,并具有触发控制功能,通过电脑控制软件,实现与电化学反应的同步测量
      薄层分光光谱电化学测量,一般在薄型石英电解池中注入电解质溶液 (液层厚度在50~200 µm之间),内置一个透明型光透电极或栅格型透光电极作为工作电极,从垂直于电极的方向照射光线,通过光接收元检测透射的光线,并测量吸光度。使用溶液薄层是为了快速实现电解池内活性反应物的耗竭性电解,从而尽可能减少溶液中的活性反应物对产物吸光度测量的影响。通过分光光谱中吸收波长和吸光度变化,可以鉴别电极附近的化学物种。
      光谱电化学法同常规的电化学方法相比具有其独特的优点,电化学法对反应机理的描述和动力学参数的测定,基于电流和电位的测量,如根据电流与扫速,浓度,时间或电极转速等一系列参数的函数关系,然后去推测反应机理及测定动力学参数。其主要缺点是这种纯粹的电化学测量缺乏电极反应分子的特性, 即电流仅表示在电极表面发生的所有过程的总速率,没有关于反应产物或中间体有用的直接信息。同样,大多数关于电极/电解质溶液界面结构的研究依赖于电容测量,也不能得到分子水平的信息。
      与通常的电化学方法相比,光谱电化学具有如下的优点。
  • 能提供电极反应产物和中间体的分子信息。通过施加激发电位信号改变电极上活性物质存在形式的同时,可记录溶液或电极表面物质吸收光谱的变化,采用快扫描分光光度法,还可以监测到中间反应中间体分子光谱的有用信息[2]
  • 具有较高的选择性。光谱电化学既利用电化学上各种物质具有不同的氧化还原电位来加以控制,也利用了各种物质,具有不同的分子光谱特性,很多电化学上难以区分的电机过程,可通过光谱电化学方法来加以分辨[3]
  • 不受充电电流和残余电流等的影响。如在采用光谱电化学的方法监测蛋白质特征,吸收光谱的变化可以很方便的进行研究,不受电催化剂介质的影响。
  • 可以研究非常缓慢的异相电子转移和均相化学反应。比如,维生素B12还原的第一个电子步骤非常缓慢,采用薄层光谱电化学法可以方便地进行研究[4]
  • 可以研究电活性物质在电极表面的吸附定向。只要该物质在紫外可见光范围内有光谱吸收,即可求得吸附物质在电极表面的吸附量及得出其吸附定向。
参考文献
[1] T. Kuwana, R.K.Darlington and D.W. Leedy, Anal. Chem., 36,2036(1964)
[2] 林仲华,叶思宇,黄明东,沈培养康著。电化学中的光学方法。北京科学出版社,1990
[3] Bcwick, Jhon M, Meller and B.S. Pons, Electrochim Acta. 23,77 (1978)
[4] 谢元武,董韶俊著, 光谱电化学方法-理论与应用, 吉林科学技术出版社


第二篇 光透电极(上)


1. 光透电极的要求

光谱电化学中使用的光透电极需满足光谱和电学性质两方面的要求。理想的光透过电极应透光性好,电阻值低。事实上符合这两种条件的材料并不多,一般采用折衷的方法[1]。下面将就几种光透电极进行讨论。

2. SnO2和In2O3光透电极

2.1 SnO2 光透电极

涂有一薄层掺杂Sb的SnO2玻璃其商品名为Nesa玻璃,涂层通常约0.8~1.0 µm,是通过将SnCl4的酸性溶液喷涂到玻璃或石英基底上加热分解制得的。纯的氧化锡膜具有多晶特性,其导电性是由于氧缺陷和⁄或者是间隙锡原子的缺陷结构,以及在锡石晶体中氧杂质的掺杂。掺杂的氧化锡,更通常是由加入锑原子制得的,随着氧化锡晶格中的Sn(IV)中的心被锑Sb(III)置换,n型载流子的密度增加超过1020载流子⁄cm2 , 可达到小于15Ω⁄sq的表面抵抗,这些SnO2膜可充当电化学研究中完全惰性和化学上稳定的表面。
n型氧化锡SnO2涂层在光透基底上的典型光谱图如图2-1所示,在玻璃基底上360nm处,透光度的急剧衰减是由于玻璃本身的吸收,如将氧化锌涂层涂在石英片上,则可将光学窗口巷子外方向拓展到波长300nm处,因此,SnO2光透电极仅适用于可见光范围的研究。

 


图2 -1 Sn02涂层在不同基底上的透射光谱
      图2 -1 Sn02涂层在不同基底上的透射光谱
(a)玻璃, 3Ω⁄sq; (b)Vicor, 6Ω⁄sq; (c)石英,12Ω⁄sq[1]


图2-2  1 M 硫酸介质中的电流-电位曲线的比较
图2-2 1M H2SO4介质中‚Pt‚Au‚SnO2和In2O3的电流-电位曲线的比较。
(a)Pt薄膜 (b)Au薄膜 (c)SnO2薄膜 (d)In2O3 薄膜 [2]
 

SnO2涂层电极在水溶液中所适用的电位范围比在Pt和Au电极上的电位范围要宽得多[2]。图2-2 是在1M H2SO4介质中, Pt,Au,SnO2和In2O3的电流-电位曲线的比较。 其电流电压(i-E)曲线可分为三个主要区域,对铂和金两种电极, 这些区域已被广泛地 进行过研究,对于双层区域 I, 氢区域II , 氧化物区域III上述区域的电位宽度随电位扫速发生变化,而两金属膜电极间最明显的区别是金电极区域I的电位较宽,并不存在氢吸附,对于这两种电极,如果电位维持在氢发区域达一段时间,金属膜将会遭到不可逆的破坏。

对氧化锡和氧化铟电极上的电荷在整个区域一内单调的变化,由于电极已经是氧化物,通常为金属的最高氧化价态,当电位向正方向增加时,不存在由于氧化物形成的明显法拉第电流区域一的电位宽达1.5V,这些氧化膜的区域一在正电位方向的边界(区域III')为析出氧,在负电位方向的边界区域(II') 为氧化物还原为金属氧化物的较低价态,析氢或表面还原为金属态区域(II''),因此与金属电极上相似。因此在非常负的电位进行延时电解将产生不可逆的,有害的变化。

由图2-2可见,与铂或金电极相比SnO2和In2O3氧化锡和氧化铟的电极具有较宽的氧化还原反应的电位窗口,然而,在比电位窗口更正的电位处将产生载流子消竭,因此在非常正的电位下任何法拉第转移(如三价铈的氧化)的速率为半导体膜的电荷转移过程所局限,在低掺杂含量的情况下,隧道效应可能是电子传递的主要机理。在高掺杂含量的情况下,其他因素包括表面氧化物的组成可能是影响电子传递的主要因素。

金属膜电极上的析氢区域II被半导体上的II’,II”所替代、区域I和II’间的区别为,可能涉及到表面电极反应的小法拉第电流,其电流的大小与氧化锌电极表面的部分还原有关,该电流仅在除氧的溶液(小于10-5 mol⁄L O&sub(2);中被观察到,并在碱性溶液中增加,电位通过区域II’产生半导体的不可逆还原。由于存在某些表面降解如图层的溶解,故氧化锌涂层电极不适于高碱性pH值的溶液中的研究,氧化铟电机的行为与氧化锡相似。

另外,涂有金属氧化物的聚酯薄片,也可被用作光透电极,呈现较低的阻抗(10 -200 Ω),以及比石英和玻璃做基底的成本要价廉的多,聚酯薄片的柔软性,可使其适用于非平面的几何形状,而且在水和非水溶剂中的电极较为稳定,其主要缺点仍然是由于聚酯塑料基底,在红外和紫外区域的吸收,而局限于可见光范围内的应用。

2. 2 In2O3光透电极

In2O3晶体具有两种晶型,立方相型(方铁矿型)和三角相型(刚玉型)。理论上,纯氧化铟薄膜电阻很大,几乎不导电,但可通过掺杂可以有效的调节改变其性能,掺杂Sn,Mo, Sb等元素可以得到电学性能较理想的N型氧化铟薄膜材料,明显提高氧化铟薄膜的电导率,改善薄膜的导电性质。目前研究最多综合性能最优异的主要是锡掺杂的氧化铟薄膜, 即ITO薄膜(Indium Tin Oxide)。 掺锡铟氧化物(ITO)薄膜作为光电子器件的透明电极被广泛使用。包括液晶显示器、等离子显示器面板和太阳能电池。虽然ITO薄膜显示出高室温下的透明度和导电性,后者在高温度下被严重破坏。 在实践中,当ITO薄膜暴露在300°C以上的高温下时,其电学性能会受到影响。电阻增加了三倍以上.

图2 -3 石英底板上的ITO电极与0.5 mm,1 mm石英底板的透光率比较。
图2 -3 石英底板上的ITO电极与0.5 mm,1 mm石英底板的透光率比较。
图2-4 玻璃底板上的ITO电极和玻璃底板的的吸收光谱比较。
      图2-4 玻璃底板上的ITO电极和玻璃底板的的吸收光谱比较。

图2-3为在石英底板上的ITO电极与0.5 mm,1 mm石英底板的透光率比较。石英底板的透光率随其厚度增加而略微下降。可以看到在石英底板上的ITO透射可见光范围内的光,紫外线区域中的光不能通过。难以测量紫外线区域的吸收光谱。
图2-4 为玻璃底板上的ITO电极ITO电极和玻璃底板吸收光谱比较。 可以看出对于ITO电极而言,石英底板和玻璃底板其吸收光谱形状没有很明显的区别。

3. Pt, Au薄膜膜光透电极

上述金属氧化物电极的主要缺点是电极的重现性差,电阻大,且仅适用于可见光范围内的研究,后被真空喷涂的Pt和Au薄膜(<5000埃)所取代,通过合理的制备可以使这些薄膜具有较好的机械稳定性、 低电阻以及合理的透光性。 制膜的步骤如下。
•严格清洗光透基底表面(玻璃或石英),然后在真空下对基底表面进行离子轰击,以保证金属膜在基底上良好的粘附性。
•在预先涂有Bi和Pb的基底上,高真空沉积金,通过控制沉积时间,而控制膜的厚度。
•控制温度退火,以改变膜的导电性及透光性。

Pt膜的沉积与此类似,所不同的是Pt可直接喷涂在基底上。Pt膜在机械上是稳定的,当膜被氧化或在析氢的电位处极化几秒或当汞电化学还原到Pt膜的表面时,Pt金属容易从基底上脱落,但通过通常的清洗,在浓硝酸中加热几秒,浸入盐酸中达12小时或与金属汞接触,却不会从电极表面脱落。
阻抗相差不多的金膜在可见光范围内比Pt膜具有较高的光透性,由于金在基底上具有比Pt低的粘附性,因而预先在基底上沉积一层经氧化物金属氧化物,如氧化铋衬底,其透光率改变的同时机械稳定性较好,阻抗较低。也试图采用衬底的方法来降低Pt膜的阻抗,但这样制备的膜近似于非透光性,尤其是具有较高的阻抗。这种非透光性,可能是由于Pt和金属氧化物间折射指数的差别所致。 Au膜也是不易脱落的,除非用刷子刷,浸入盐酸,硝酸中或早在特别正,负的电位处极化。

 
图2-5 退火时间对Pt薄膜(玻璃基底)的影响。
图2-5 退火时间对Pt薄膜(玻璃基底)的影响
(a) 吸光度-时间(b) 阻抗-时间;退火温度560 °C[4]
      图2-6 退火时间对Au薄膜的影响。
图2-6 退火时间对Au薄膜(PbO2为衬底的玻璃上)的影响
(a) 吸光度-时间(b)阻抗-时间; 退火温度200 °C[4]
 

这些薄膜的阻抗可通过在马弗炉中退火而降低约10%~30%,该人工老化过程可能使得基底表面分别的不连续的金属小岛凝聚成更连续的金属薄膜,降低了阻抗,改进了机械粘附性和透光性,特别是在金薄膜的情况。图2-5是退火时间对Pt薄膜(玻璃基底)的影响,可见开始时阻抗急剧衰减,1小时后达常值,在大多数情况下,阻抗降低约55%至66%, 而膜的透光性则随着退火时间而逐渐减小。 对于图2-6的在铋或铅氧化物及地上的Au膜,阻抗和吸光度均随退火时间而减小。

 
图 2-7 各种薄膜在石英基底上的吸收光谱
图 2-7 各种薄膜在石英基底上的吸收光谱)
 

图2-7 为各种薄膜的吸收光谱。Pt 铂金薄膜在 250 nm~800nm 的波长范围内吸光度近似于线性的变化,而金 薄膜的吸收光谱则在约 550 至 650 纳米波长处具有最小值当,这些金属膜沉积在石英片上时,制得的光透电极可用于紫外区域的研究。除了在 Pt 薄膜电极上氢离子放电的过电位略小于本体 Pt 电极外,金薄膜电极的电化学性质,与其本体电极极为相似。

参考文献
[1] T. Kuwana and N. Winograd in Electroanalytical Chemistry, A. J.Bard. Ed., vol. 7, Marcel Dekker, New York, 1974.
[2] N.R. Armstrong, A.W.C. Lin, M. Fujihira and T. Kuwana, Anal. Chem., 48, 741 (1976).
[3] R. Cielinski and N. R. Armstrong, Anal, Chem., 51, 565 (1979)
[4] W. von Benken and T. Kuwana, Anal. Chem., 42, 1114 (1970).




第三篇 光透电极(下)

本篇将继续介绍Hg-Pt, 碳膜光透电极;金属网栅电极; 多孔玻碳电极和多孔金属电极; 薄膜栅格电极(Pt,Au, C)

1. Hg-Pt及碳膜光透电极

1.1 Hg-Pt膜电极 - 拓展电极的阴极电位区域

有时为了拓展电极的阴极电位区域,可采用在Pt膜光透电极表面电化学还原汞离子的方法,电镀形成一层薄的汞表面,由于氢在汞的表面放电的过电位较大而增加了可用的阴极电位范围(约负移300-400mV)。通过限制沉积的汞量可以保留其一定的透光性。汞膜一般厚约50埃,再厚将形成汞滴。
这种镀汞电极除了可以研究电位较负的电极反应外,还可以光学监测金属在汞膜电极上的沉积,以及涉及到汞从 电极上损失的电极反应。

1.2 碳膜电极

碳膜电极的制备方法,可以通过在玻璃石英或锗的基底上,真空沉积的碳膜而制得[1] 。如果沉积前基底加热到450度,可得到较好的电极。膜的厚度为280埃—310埃。这种电极与金属膜电极相比,其呈现较大的电阻。另外,其电化学性质与通常的石墨电极相似。石英基底上的碳膜光透电极在整个紫外可见光范围内有较好的光透性。

2. 金属网栅电极

1967年R·W·默里 等报告了一种使用简单的透光金属网栅电极,来观察电解过程和反应物完全消耗后的电化学池的光谱变化[2-4]。使用的金属网栅电极是通过电化学沉积步骤制备的非常细的金属微网图3-1所示。将1000目的Au微网光透电极用于薄层光透电化学池中进行光谱电化学测量。使用的1000目Au微网的透光率约为45% , 网孔17.6um(500目 的透光率60%, 网孔39um, 2000目的透光率22%,网孔6.3um)图中Au微网电极的尺寸为1x 3cm,将该微网夹在两片玻璃或石英玻璃片之间,每片玻璃都事先在其周边涂上粘合剂窄条(粗黑线处)作为间隔垫片,用适度的压力进行粘合。然后在夹片的边缘部涂上大量的粘合剂,以确保密封性,放在干燥处干燥一段时间后方可使用。薄层池的底部开口可以与试样溶液,参比电极和辅助电极接触。
A处施加吸力,可将下方试样溶液补充进入薄层池中 (现在看来,这种内部溶液可以简单更换的设计,颇具现在使用的光谱电化学流动池的特征)电极的 B处为导电连接端。使用该薄层池成功地进行了 3,3'-二甲基联苯胺氧化反应过程中的光谱变化测量。记录了在438nm处的吸收随时间的变化过程。

 
图3-1  使用金网栅电极的光透电化学池[2]
图3-1 使用金网栅电极的光透电化学池[2]
(左侧为1000目Au网栅的尺寸表示)。

图3-2 500-lpi 金网栅的扫描电镜照片x 1000倍
图3-2 500-lpi 金网栅的扫描电镜照片(x 1000倍)
(A)暗面 (B)亮面[6]
 

金属网栅电极的优点是作为导电性非常好的电极, 同时又具有较高的光透性,不受限制的光谱范围.图3-2是金网栅的扫描电镜照片,电沉积过程中,亮面临近原栅。Pt网栅不适合采用电镀的方法制备, 需使用粗织的Pt网[5]。网栅的透光性是由于金属中的微孔,金属框架是非透光性的,在整个紫外-可见-红外范围内,透光性基本上保持不变,因此,使用网栅光透电极,光谱电化学池的光学性质是其他光学池元件支持电解质和溶剂的光学性质,这使得网栅电极在较宽的光谱范围内非常有用。

2.1 金网栅电极特征

金属网栅电极的电化学性质,与其金属电极的基本相似,因此金网栅电极呈现本体金电极的正负电位范围。

 
60%,表3-1 表3-1 金网栅电极特征
表3-1 金网栅电极特征[3]

图3-3 网栅电极的扩散特征
图3-3 网栅电极的扩散特征

按电活性物质向电极的扩散来处理,网栅的均一几何学给出了其”双重特征”,电位阶跃后较短的时间内表现为向单根网线的扩散。如图3-3-a所示,因此有效电极面积是网栅的的微观面积(A micro)。经过较短一段时间后(取决于网线空间尺寸)扩散层相互重叠,如图3-3-b。然后网线中的孔中的电活性物质完全发生耗竭性电解 如图3-2-C,箭头表明电活性物质的扩散方向,与图3-2-d中平板电极上的相同,扩散对网栅的总二维面积或几几何(宏观)面积(A macro)是有效的。网线靠的越近,扩散层重叠的越快,因此在半无限扩散条件下的计时电流实验中,从it1/2从计算得到的表观电极面积从较短时间的微观值逐渐变化到较长时间的宏观值,从A micro 到(A macro)的过渡时间也就是表3-1中的【扩散分布平均时间为不同孔径的金属网栅电极达近似于平面电极扩散的时间,取决于表3-1中所示的孔尺寸。

如果网线相对于图3-2(e)所示,溶液薄层的厚度足够紧密的话,在薄层池词构象中,经很短一段时间后,网栅电极可近似于平面电极;,而粗制的网栅需要长较长的电解时间才能达到平面扩散,如图3-2(f),如果也用于薄层光谱电化学,必然会产生腔内电活性物质的耗竭性电解,因此此时按半无限扩散来处理,从原理上讲是不合适的。

2.2 ”汞”网栅电极

”汞”网栅电极也是通过在Ni, Au·网栅基底上电沉着积汞薄膜而制得的[6。图3-4是描述不同网栅电极和悬汞电极负数电位极限的薄层i-E曲线(0.1 mol/L HCl, 0.5 mol/L KCl [6] )。由于汞膜缓慢地溶解Au基底,而在电极表面产生金汞齐,所以为了维持最大的氢气过电压,网栅电极必须每天进行重镀金, 一片(200根/cm)的Auc网栅电极可耐受10-30次镀汞。

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60%,图3-4  描述不同网栅电极和悬汞电极负电位极限的薄层伏安图。
图3-4 描述不同网栅电极和悬汞电极负电位极限的薄层伏安图。
表3-2 不同光透电极的透光率和阻抗的比较。
表3-2 不同光透电极的透光率和阻抗的比较。
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2.3 不同光透电极的透光率和阻抗的比较。

网栅电极主要用于光透薄层光谱电化学中光透电极的光学和电学参数的比较。表3-2为不同光透电极的透光率和阻抗的比较。可以看到网栅电极的透光光谱范围较大,电极阻抗较低。金属网栅电极的优点是作为导电性非常好的电极,同时又具有较高的光透性,可以弯曲成不同的几何形状以及不受限制的光谱范围。其缺点之一是金属线的非透光。妨碍了采用垂直入射光素观察吸附现象,另一个缺点是短时间内进行光谱电化学实验中复杂的扩散行为。

2.4 ALS 金丝,铂丝纱网工作电极

ALS为客户提供两种金和铂金两种材料的网珊电极。金网栅为100目, 铂金网珊为80目目是指每平方英吋(2.54 mm)筛网bai上的空眼数目du,50目就是指每平方zhi英吋上的孔眼是50个,500目就是500个,目数越高,dao孔眼越多。透光率就越低。80目铂金丝沙网工作电极的透光率约为为50%-55%。网珊上有污染物质存在时会影响透光率和电化学反应特性。
金属丝纱网电极清洗的方法:1)常见的在硫酸中的电化学循环伏安扫描清洗法;2)超声波清洗法;3)若没有超声波清洗设备时,可尝试用棉签+抛光液(PK-3)来清洁金属丝纱网电极。该法方便快捷,可以在一定程度上短时间内有效地清洁金属丝纱网电极表面(仅为轻度不洁才会有用)。

3. 多孔玻碳电极和多孔金属电极

多孔玻碳(Reticulated Vitreous Carbon,简称RVC)是具有97%空隙体积和多孔结构的类似于玻璃的碳.如图3-6所示。RVC商品可以有不同的孔隙度,当切成薄片时,其透光性与网栅电极相当(对1.2~0.5mm 厚40孔RVC。T=13~45%)、在整个紫外可见光谱范围内基本上为常数,由于绝大多数溶液在多孔电极的内部,故可在很短的时间内达到活性物质的完全电解[9]。此类电极易碎,操作时需特别注意。泡沫型金属材料如镍多孔金属泡沫也可被切成薄片用作光透电极。上述多孔电极制备简便透光率和光程长度,可通过选择不同的孔径和不同厚度的材料,在一定范围内可调。多孔材料制成的光透电极最适合于测量光吸收弱的样品,也同样由于其短时间内复杂的扩散行为,而主要用于构成薄层池。

 
 图3-5 Au-RVC电极的扫描电镜照[10]
图3-5 Au-RVC电极的扫描电镜照[10]
图3-6 ALS薄膜栅格电极
图3-6 ALS薄膜栅格电极
 

4. 薄膜栅格电极(Pt,Au, C)

最后为大家介绍一种改良型薄膜光透电极-薄膜栅格电极。在上一篇中我们介绍了ITO光透电极可用于光谱电化学流动池的测量。但从光学性质上看; ITO光透电极在可见光区的透光性较好达70%-85%,但其对紫外光有吸收,不能用于紫外范围的光谱测量。以石英玻璃为基板的Au, Pt膜电极,虽然可用于紫外之外区域的测量,但电极的透光率较低约为10%左右。
为提高金属膜电极的透光性,运用光刻技术制作了适合光谱电化学流动池用的Au, Pt, C的材料的栅格电极(图3-6 )。我们ALS为客户提供三种电极材料的网栅电极 主要是用于SEC-2F或 SEC-3F光谱电化学流动池 使用。使用时只需将栅格电极夹在流动池中,然后将流动池放置到SEC2020光谱仪系统上,光谱电化学流动池测量便可方便地进行。


参考文献
[1] T. P. De Angelis, P.W. Hurst, A. M. Yacynyh, H. B. Maek, W. R. Heineman and J. S. Mattson, Anal. Chem., Vol.49, No.9, 1395-1398 (1977).
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[6] M. L. Meyer, T. P. De Angelis and W. R. Heineman, Anal, Chem., Vol.49, No.4, 602-606 (1977).
[7] W.R. Heineman, T. P. Deangelis and J. F. Goeiz, Anal. Chem., Vol.47, No.8, 1364-1369 (1975).
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第四篇 光透薄层光谱电化学⟨1⟩


光透薄层池测定式量电位EO'和电子转移数n

1. 可逆反应

对于一个可逆反应体系,电极电位可以用Nernst 方程表示。

 
Ox + ne ⇔ Red
(4-1)
在25°C时Nernst方程可以表示为:
 
E =EO' +( 0.05916 /n ) lg(COx / CRed)
(4-2)

当向该体系施加某一电位时,为满足上述方程,物质即在电极表面发生氧化还原反应,从而由电流产生。尽管所加电位控制的是电极表面物质的浓度比(COx/CRed)surf,但由于薄层池溶液层很薄,溶液中物质 (COx/CRed)sol的浓度比很快被调节到与电极表面的比率相同.因此。平衡时

 
(COx/CRed)sol = (COx/CRed)surf
(4-3)
达到平衡的时间视溶液薄层的厚度而定,一般来说,对于厚度小于0.2mm的薄层池,电解达到平衡时,也电流衰减到最小值所需的时间,通常在60秒内,因此,可以电位 E对log(COx/CRed)作图得一直线,根据直线的斜率可以求得电子转移数n。 并在并由直线在电位轴上的截距求得式量电位EO',由于达平衡时,通过电极的电流很小可忽略其IR降的影响,EO'电位值一般可以精确到几毫伏。

下面以可逆体系铁氰化钾为例加以说明,图4-1是不同外加电位下所记录的吸收光谱,外加电位由0.4开始,每改变一次电位待完全平衡后记录一次吸收光谱,选420nm波长下的吸收值作为测量铁氰化钾跟亚铁氰化钾量度。

设在该波长下,铁氢根离子的摩尔吸光系数为εO,亚铁氢根离子的摩尔吸光系数为εR,如果溶液薄层的厚度d, 铁氢根离子的起始浓度为C,则完全为氧化态时产生的吸光度为    AOOd C*         (4-4)
完全为还原态时产生的吸光度为    ARRd C*        (4-5)
任意中间电位处的吸光度    Ai=(εOCORCR)d     (4-6)
当不存在任何化学反应,时有     CO+ CR = C*        (4-7)
根据式4-3至4-7可以得出
COX =(Ai -AR) / [d (εO- εR)]          (4-8)
CRed = (AO -Ai) / [d (εO- εR)]         (4-9)
将上两式代入式4-2(Nernest),得到
E = EO’ +( 0.05916/n) lg{r(E)}        (4-10)
COX /CRed= r (E) = [ (Ai -AR) /(AO -Ai) ]        (4-11)
式中 AR是铁氢根离子Fe(CN)63-完全还原成亚铁氰根离子Fe(CN)64-时的吸光度。AO为完全为氧化态时的吸光度, Ai为Fe(CN)63- 和Fe(CN)64-共存时的吸光度将外加电压E对
lg{r(E)}作图,得到一条直线。

图4-2 为 K3FeCN6 体系的Nernst作图得到的一条直线,其斜率为59.6 mV, 计算出 电子转移数 n=0.99,相当于单电子电极反应。由其截距得式量电位 EO’ =0.275V vs. SCE (甘汞电极)四次测量的标准偏差为0.001,与文献报道值基本相符。该实验中重要的是进行测量时,溶液要与电极电位达平衡及所有的光吸收变化停止,工作电极上仅通过较小的残余电流和由于边缘效应所产生的较小电流。
            图4-1 铁氰化钾在不同外加电位下在光透薄层电解池中记录的吸收光谱[1]
图4-1 K3FeCN6在不同外加电位下在光透薄层电解池中记录的吸收光谱[1]
1mol/L K3FeCN6(0.1mol/L KNO3), 薄层池厚 0.24mm,
外加电位 (a)0.4, (b)0.32, (c)0.30, (d)0.28, (e)0.26, (f)0.24,(g)0.22, (h) 0.00V ( vs. Ag/AgCl)

        图4-2 铁氰化钾体系的Nernst作图
         图4-2 K3FeCN6体系的体系的Nernst作图。

2. 准可逆反应

对于在电极上呈现缓慢异相电子转移的氧化还原对,薄层光谱电化学提供了最有效的研究手段。薄层光谱电位实验可以是一种非常慢的电化学技术,由于每次外加电压维持到光信号变化完全停止。因此,对于缓慢的电极动力学可将电位保持足够长的时间来达到,即使法拉第电流响应完全被残余电流所掩盖,也能观察到光学响应信号的变化。
这类体系的典型例子是第一章中提到的维生素B12,其第一电子还原步骤的电子转移速率相当慢,即使在直流极谱中所用的慢速扫以下几乎观察不到还原波,直到电位足够负时,产生一个二电子的还原波。图4-3是其负向电位扫描时的循环伏安图。在Epc等于负0.93V vs. SCE 电位下,呈现一个两电子还原峰。而薄层光谱恒电位实验显示出两个连续的,易于分辨的一电子还原步骤。
            图4-3  1mmol/L 维生素B12的伏安法,Britton-Robinson 缓冲溶液pH6.86,Hg-Au网栅光透电极 a.薄层循环伏安法 b. 388nm处的吸光度对电位作图[3]
        图4-3 1mmol/L 维生素B12的伏安法,
Britton-Robinson 缓冲溶液(pH6.86),Hg-Au网栅光透电极
(a)薄层循环伏安法 (b)388nm处的吸光度对电位作图[3]

 

图4-4  B12还原为B12red 的薄层光谱
图4-4 B12还原为B12red 的薄层光谱
外加电位:(a)-0.550;(b)-0.630 ;(c)-0.660;(d)-0.690;(e)-0.720;
(f) -0.770V vs. SCE [3]

图4-5  B12red还原为B12red,2的薄层光谱
图4-5 B12red还原为B12red 的薄层光谱
外加电位:(a)-0.770;(b)-0.820 ;(c)-0.860;(d)-0.880;(e)-0.900; (f) -0.920 (g) -1.000V vs. SCE [3]
 
采用Hg-Au网栅光透薄层光谱电化学池,从-0.10V到-1.15V逐步施加电位,在B12溶液的紫外可见光谱上观察到两个清晰的变化,一个变化发生在-0.58到-0.75V的电位范围内,如图4-4所示。在-0.55V下的起始光谱来自于最初的B12, Co(III)的特征,吸收带在波长350-360nm处; 逐渐向负电位阶跃后最产生 -0.77V下的 B12,即 Co(II)的吸收光谱,采用360和311nm处的吸光度数据的Nernst作图表明,该光谱变化对应于1电子还原过程, E1/2= -0.655V。
第二个光谱变化出现在-0.77至-0.95V的电位范围内, 如图4-5所示,-0.770V下的起始光谱为B12即Co(II)的光谱,逐渐向负电位阶跃后,产生 -1.000V 下的B12, 一价钴的光谱。在368nm处的吸光度数据经Nernst作图表明,该吸光度变化也对应于一电子还原过程,其式量电位E1/2=-0.880V。

3. 采用媒介体(Mediator)的生物氧化还原体系

很多生物物质如血红蛋白、肌红蛋白等在电极上的直接异相电子转移速率非常慢,这种行为通常是由于其在电极表面的强烈吸附以及电活性中心被其多肽链包围所致,这些生物物质很难采用通常的电化学方法来进行研究。对于这种体系,通常的方法是向溶液中加入媒介体来调节电极与生物组分间的电子转移,原理为∶

 

eq4-12-thinlayer.jpg



(4-12)
E = EO’M+ (RT / nMF) ln{ [OM] / [RM] }                   (4-13)
E = EO’B+ (RT / nBF) ln{ [OB] / [RB] }                  (4-14)

式中M和B 分别代表媒介体和生物分子,根据所加电位和由光吸收所得的 ln{ [OB] / [RB] }作类似于式(4-10)的 Nernst 图,即可得 EO’B 和nB值。



以细胞色素C为例[4],细胞色素C 在金网栅电极光透薄层池中无明显的氧化还原峰,但当溶液中加入2,6-二氯苯酚-靛酚(DICP)作为媒介体后,细胞色素C通过与 DICP发生反应,其氧化/还原的速率大大提高。不同电位下,细胞色素 C的光谱如图4-6所示,细胞色素C在300mV vs.SCE下被完全氧化,而在-600mVvs.SCE下被完全还原,光谱是在平衡条件下记录的,即电流下降到可忽略的水平,光谱的变化停止。施加的电位每变化一次,约需10min达到平衡,该平衡时间与媒介体的浓度及光透薄层池的设计有关,由细胞色素C的Nernst作图所得的截距和斜率分别给出EO’B=0.261±0.001V vs. NHE及 a=1(25°C)。因此,对于在金电极上电化学不可逆的生物氧化还原体系,可得到非常精确的EB的式量电位值。





对于某些生物体系来说,通过媒介体与生物组分的氧化还原来控制溶液电位对测定EO’是很重要的。如在媒介体不存在 的 条件下,在光透薄层池中电解细胞色素C需要几小时,而采用合适的媒介体则只需几分钟。
选择媒介体的基本要求是∶媒介体要快速可逆地与电极进行异相电子交换及与生物分子的均相电子转移;氧化态和还原态均能稳定存在;其光谱与生物组分的光谱不发生重叠。
用薄层光谱电化学的方法还可以较方便地测定体系的热力学函数。在不同温度下,测定同一体 系 的        E-{1g[O]/[R]}关系曲线,由测得的式量电位 EO’随温度的变化即可求得ΔS°和ΔH°等热力学参数
        (əE°'/əT)=Δs°/nF                 4-15)
        ΔH°=- nFE°'+ΔS°                 (4-16)
图4-7是星状花青苷在不同温度下的Nernst图,测得该体系的
EO’ =184(±1mV)vs. NHE(25°C), ΔH° =-71(±4)kJ/ mol, ΔS°=-44 (±3) eu。
        图4-6 不同外加电位下,细胞色素C与2,6-二氯靛酚媒介体的薄层光谱
图4-6 不同外加电位下,细胞色素C与2,6-二氯靛酚(DICP)媒介体的薄层光谱, 0.5 mol/L磷酸盐缓冲液(pH7.0)[4]
                 图4-7 A为星状花青苷在不同外加电位下的薄层光谱。B为不同温度下的Nernst图。
                        图4-7 (A)星状花青苷在不同外加电位下的薄层光谱
2.7×10-8 mol/L星状花青苷及 2.8×10-8mol/L Ru(NH3)Py3+,池厚0.021cm, 外加电位∶(a)240;(b)230;(c)220;(d)210;(e)190;(f)175;(9)150;(h)145;(i)90mV vs.NHE.
                        (B)不同温度下的Nernst图[5]
 

参考文献

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