進(jìn)入21世紀(jì),隨著電化學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電化學(xué)測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展起來,電化學(xué)測(cè)量?jī)x器也越來越趨于自動(dòng)化、多功能化、信息化。電化學(xué)測(cè)量技術(shù)在航空航天、船舶、交通、橋梁、石油管道、天然氣輸送、地鐵及隧道等工程材料的選擇、防腐設(shè)計(jì)和表面工程方面得到廣泛應(yīng)用;不僅在傳統(tǒng)金屬腐蝕、表面防護(hù)、電鍍、電解、化學(xué)電源、陽(yáng)極氧化及電分析化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用很重要,而且在納米材料、能源材料等新材料的開發(fā)和應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用。
作者在上大學(xué)時(shí)就覺得電化學(xué)測(cè)量技術(shù)很重要但又比較難學(xué),經(jīng)過20多年“電化學(xué)測(cè)試技術(shù)”課程的教學(xué),更覺得電化學(xué)測(cè)量技術(shù)的重要,特別是在新材料性能評(píng)價(jià)以及裝備的腐蝕與防護(hù)中尤顯重要。
本書是作者以前輩劉永輝教授編寫的《電化學(xué)測(cè)試技術(shù)》教材為基礎(chǔ)、根據(jù)20多年的教學(xué)積累修改補(bǔ)充編寫而成的。電化學(xué)測(cè)量技術(shù)內(nèi)容廣泛,按照電化學(xué)反應(yīng)過程不同可分為穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法;按照控制信號(hào)不同可分為階躍法、方波法、線性掃描法、交流阻抗法;按照測(cè)量環(huán)境不同又可分為原位測(cè)量法、非原位測(cè)量法和微區(qū)測(cè)量法等。這些方法各有特點(diǎn),應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行選擇。電極和電解池的設(shè)計(jì)與制備是電化學(xué)測(cè)量的重要環(huán)節(jié),也是最為基礎(chǔ)的部分,不可忽視。為了正確選擇和使用測(cè)量?jī)x器,或自制某些測(cè)試設(shè)備,本書還介紹了運(yùn)算放大器及常用電化學(xué)測(cè)試儀器的基本原理。
本書的目的在于,向已具有電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的大學(xué)生或科技人員介紹電化學(xué)測(cè)量技術(shù)的基本原理、方法和典型實(shí)際應(yīng)用。電化學(xué)測(cè)量的應(yīng)用極廣,本書除在各種測(cè)量方法中舉了一些實(shí)例外,還在第9章中討論了一些在腐蝕和防護(hù)等方面的應(yīng)用。希望讀者能舉一反三,將其推廣到各個(gè)電化學(xué)領(lǐng)域中。本書在編寫過程中,得到了許多老師和研究生的支持和鼓勵(lì),吸收了國(guó)內(nèi)外許多同行的研究成果,引用了相關(guān)的論文、專著等資料,本書作者在此對(duì)這些幫助表示衷心的感謝。由于時(shí)間倉(cāng)促和水平局限,書中難免有不足之處,歡迎讀者給予指正。
作者
2020年10月
第1章電化學(xué)測(cè)量概述1
1.1電化學(xué)測(cè)量方法1
1.2電化學(xué)測(cè)量的基本原則2
1.3電化學(xué)測(cè)量的主要步驟3
第2章穩(wěn)態(tài)極化曲線與動(dòng)力學(xué)方程式4
2.1電極的極化4
2.1.1電極的極化現(xiàn)象4
2.1.2電極極化的原因5
2.1.3穩(wěn)態(tài)極化曲線5
2.2電極過程與控制步驟7
2.2.1電極過程的基本歷程7
2.2.2電極過程的速度控制步驟8
2.3電極反應(yīng)與交換電流9
2.4電化學(xué)極化方程式10
2.4.1電化學(xué)極化的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)10
2.4.2電化學(xué)極化的基本方程式11
2.4.3幾種特定情況下的電化學(xué)動(dòng)力方程式11
2.5濃差極化方程式14
2.5.1理想情況下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程14
2.5.2濃度極化方程式16
2.6電化學(xué)極化與濃差極化同時(shí)存在的極化曲線18
思考題20
第3章穩(wěn)態(tài)極化曲線的測(cè)定21
3.1穩(wěn)態(tài)法的特點(diǎn)21
3.2控制電流法和控制電位法22
3.3三電極體系與電流和電位的測(cè)定25
3.3.1三電極體系25
3.3.2電解池32
3.3.3電流的測(cè)量37
3.3.4電極電位的測(cè)定37
3.4逐點(diǎn)調(diào)節(jié)和階梯波法測(cè)定穩(wěn)態(tài)極化曲線39
3.5慢掃描法測(cè)定穩(wěn)態(tài)極化曲線43
3.6旋轉(zhuǎn)圓盤和環(huán)盤電極及其應(yīng)用46
3.6.1旋轉(zhuǎn)圓盤電極46
3.6.2旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極50
3.7穩(wěn)態(tài)極化曲線的應(yīng)用51
3.7.1在電化學(xué)基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用51
3.7.2在腐蝕科學(xué)中的應(yīng)用54
3.7.3在化學(xué)電源中的應(yīng)用56
3.7.4在表面防護(hù)中的應(yīng)用58
思考題59
第4章控制電流暫態(tài)法60
4.1暫態(tài)法概述60
4.1.1暫態(tài)過程和暫態(tài)測(cè)試方法60
4.1.2暫態(tài)過程的等效電路62
4.1.3暫態(tài)測(cè)量方法65
4.2電化學(xué)極化下的控制電流暫態(tài)測(cè)試方法66
4.2.1電流階躍法67
4.2.2斷電流法69
4.2.3方波電流法70
4.2.4雙脈沖電流法71
4.3濃差極化下的控制電流暫態(tài)測(cè)試方法72
4.3.1電流階躍極化下的暫態(tài)擴(kuò)散過程72
4.3.2過渡時(shí)間τ的測(cè)定及其應(yīng)用74
4.3.3可逆電極體系的電位時(shí)間曲線75
4.3.4完全不可逆電極體系的電位時(shí)間曲線75
4.3.5準(zhǔn)可逆電極體系的電位時(shí)間曲線76
4.4控制電流暫態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)77
4.4.1控制電流暫態(tài)法實(shí)驗(yàn)條件的選擇77
4.4.2電流階躍實(shí)驗(yàn)技術(shù)78
4.4.3斷電流法實(shí)驗(yàn)81
4.4.4方波電流法實(shí)驗(yàn)82
4.4.5雙電流脈沖法實(shí)驗(yàn)84
4.5控制電流暫態(tài)法的應(yīng)用84
4.5.1恒電流充電法研究電極表面覆蓋層84
4.5.2研究氫在鉑電極上析出的控制步驟問題88
4.5.3控制電流暫態(tài)法測(cè)定內(nèi)阻90
思考題92 第5章控制電位暫態(tài)法93
5.1控制電位暫態(tài)法的種類和特點(diǎn)93
5.2電化學(xué)極化下的電位階躍法94
5.2.1電位階躍法94
5.2.2方波電位法97
5.3濃差極化下的電位階躍法99
5.4線性電位掃描法103
5.4.1小幅度線性電位掃描法103
5.4.2大幅度線性電位掃描法105
5.5控制電位暫態(tài)法實(shí)驗(yàn)技術(shù)111
5.6控制電位暫態(tài)法的應(yīng)用117
5.6.1電位階躍法測(cè)定電極真實(shí)表面積117
5.6.2方波電位法研究特性吸附現(xiàn)象120
5.6.3小幅度三角波電位法研究電極表面覆蓋層121
5.6.4三角波電位法研究電極反應(yīng)123
思考題125
第6章電化學(xué)阻抗法126
6.1電化學(xué)阻抗法導(dǎo)論126
6.1.1交流阻抗概述126
6.1.2電化學(xué)阻抗譜129
6.1.3等效組件與等效電路130
6.2電化學(xué)極化控制下的交流阻抗法139
6.2.1電化學(xué)極化控制下的阻抗及等效電路139
6.2.2頻譜法測(cè)量體系參數(shù)139
6.2.3極限簡(jiǎn)化法測(cè)量體系參數(shù)141
6.2.4復(fù)數(shù)平面圖法測(cè)量體系參數(shù)141
6.2.5電化學(xué)阻抗譜的時(shí)間常數(shù)142
6.3濃差極化控制下的交流阻抗法145
6.3.1存在濃差極化時(shí)交流電極化引起的表面濃度波動(dòng)145
6.3.2存在濃差極化時(shí)可逆電極反應(yīng)的法拉第阻抗147
6.3.3存在濃差極化時(shí)準(zhǔn)可逆電極反應(yīng)的法拉第阻抗148
6.3.4電化學(xué)極化和濃差極化同時(shí)存在時(shí)電極的法拉第阻抗149
6.4電極反應(yīng)表面過程的法拉第阻納151
6.4.1不同幾何形狀的電極151
6.4.2電極表面吸附152
6.4.3固體表面成膜153
6.5電化學(xué)阻抗譜的數(shù)據(jù)處理與解析156
6.6電化學(xué)阻抗法的應(yīng)用157
6.6.1電化學(xué)阻抗法研究金屬腐蝕158
6.6.2電化學(xué)阻抗法研究表面涂層的防護(hù)性能159
6.6.3電化學(xué)阻抗法在能源器件上的應(yīng)用161
思考題164
第7章電化學(xué)測(cè)試儀器165
7.1電化學(xué)測(cè)試儀器概述165
7.2恒電位儀和恒電流儀168
7.2.1恒電位儀基本電路分析168
7.2.2恒電位儀基本性能和設(shè)計(jì)要求170
7.2.3恒電位儀主要性能的檢測(cè)方法178
7.2.4恒電位儀應(yīng)用的靈活性181
7.2.5恒電流儀182
7.3電化學(xué)工作站183
7.3.1電化學(xué)工作站的原理及特點(diǎn)183
7.3.2CHI電化學(xué)工作站簡(jiǎn)介184
第8章電化學(xué)掃描探針顯微技術(shù)189
8.1電化學(xué)掃描探針顯微技術(shù)概述189
8.2電化學(xué)掃描隧道顯微鏡190
8.2.1STM的工作原理190
8.2.2ECSTM裝置192
8.2.3ECSTM的應(yīng)用194
8.3電化學(xué)原子力顯微鏡198
8.3.1AFM的工作原理及技術(shù)198
8.3.2ECAFM裝置200
8.3.3ECAFM的應(yīng)用200
8.4掃描電化學(xué)顯微鏡204
8.4.1SECM的工作原理204
8.4.2SECM裝置及工作模式205
8.4.3漸近曲線207
8.4.4SECM的應(yīng)用208
8.5微區(qū)電化學(xué)掃描探針技術(shù)211
8.5.1掃描振動(dòng)參比電極技術(shù)211
8.5.2掃描開爾文探針213
8.5.3局部電化學(xué)交流阻抗譜214
思考題216
第9章金屬腐蝕速度的電化學(xué)測(cè)定方法217
9.1金屬電化學(xué)腐蝕速度基本方程式217
9.2塔菲爾直線外推法測(cè)定金屬腐蝕速度219
9.3線性極化法測(cè)定金屬腐蝕速度223
9.3.1基本原理223
9.3.2bA和bK的測(cè)定224
9.3.3極化電阻Rp的測(cè)定方法225
9.3.4線性極化法的適用性及主要誤差來源230
9.4弱極化區(qū)三點(diǎn)法測(cè)定金屬腐蝕速度231
9.5恒電流暫態(tài)法測(cè)定極低的腐蝕速度233
9.5.1切線法233
9.5.2兩點(diǎn)法234
9.6金屬局部腐蝕速度的測(cè)定236
9.7電偶腐蝕速度的測(cè)定239
9.8三角波電位掃描法預(yù)測(cè)金屬點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的敏感性242
9.8.1點(diǎn)蝕敏感性的預(yù)測(cè)242
9.8.2縫隙腐蝕敏感性的評(píng)定245
9.9動(dòng)電位掃描法測(cè)定電位pH圖和等腐蝕速度圖246
9.9.1理論電位pH圖246
9.9.2實(shí)驗(yàn)電位pH圖的繪制250
9.9.3等腐蝕速度圖的測(cè)繪251
9.10電化學(xué)噪聲研究金屬腐蝕255
9.10.1電化學(xué)噪聲的分析256
9.10.2電化學(xué)噪聲的測(cè)定263
9.10.3電化學(xué)噪聲在金屬腐蝕研究中的應(yīng)用264
思考題278
附表A某些國(guó)際制(SI)單位和物理常數(shù)279
附表B標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì),飽和甘汞電極電位,2.303RT/F值及飽和水蒸汽壓力281
參考文獻(xiàn)282
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