电解法制备高纯铁的电极过程研究.docx
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电解法制备高纯铁的电极过程研究
电解法制备咼纯铁的电极过程研究
电解法制备高纯铁的电极过程研究
电化学机理硏究采用二电极体系,如图娴辰
齒I比为电源.m\为电流花i为电压從电源R、电7/LmA和乜丿」衣E都是电化学工作站的部分+由电化学工件站控轨图中:
个电换分別为工作电扱•辅助电极和参比电极瓦中.匸作电极和辅助电极Z问冇电減迪过.用电记录通过工作电极的电流:
H作电扱和参比电极之间没有电流通过,用电压表E记录工作电极棺購于参比电极的电位.
侵电极电旳隔时间线株变化.从鈕扌T电位扫至某一电位・然后丈从这一电<4反杓回起皓电位,测址电流崎电位I咸时间1的曲线“即循环伏安曲线・加下图所歩.
1-^3.2站坏狀-安由践图
从图3.2屮町以得到乞种电化学参数,如阳极的叫电流咯、阳极的蜂电位E“、阳极半峰电位Epg以及阴极的蜂电流Lc、阴极的峰电位氐、阴极半峰电位Epc:
等。
根据循环伏安曲线的特征.可以刈断研究电极反应的训逆件、反应产枷的稳定性以及电极反应的机理.对『•产物心阴极I:
析出的反应,有"IF判断依据.
a可逆反应$
(1)邮电位Ep与切描速度v无关;
(2)那电流ip与打描速度的平方根的比值与扫描速度v无关。
b不叮逆反冈:
(1)婷电位Ep随舸描速度v的变化而变化:
(2)峰电流ip与知描速度的平方根v"的比值与扫描速侵v无关:
(3)在阴杈波范曲不出现阳极波:
(4)u问為
C准可逆反应:
(l)Ep随扫描速率v的变化而变化,相比于不可逆反应,这种移动程度狡小;⑵ip/戶实际与v无关;(3)仅在a=0.5时为1。
线性扌T描伏安法与循环伏安法蚕似,只是没有反扌I描的过程.使电极电位禰时间线性变化•测帚电流与电位(或时间)的曲线,即线性扫描伏安曲线.线性扫描伏安法一般采用慢扫描法,得到不同汛度的阳极或者阴极伯极化曲线,根据极化曲线的分析,可以得到同过电位卜•反应的活化能,从而可以刈断化学反应的控制步骤,
3・2实验原料、试剂与设备
本实验所用的原料是分析纯七水合硫酸亚铁试剂,分子ft足278.01,含量不少于990%.本丈验所用的水均为白制的二次去离子水.实輪试剂与材料如下表3」所示,实验设备如下衣3.2所示.
*3」实怡材料
丈脸材料
4曲位
铜电极
北京仔色令属研尤总険
切电械
机州界奥斯也匕学实验器材自国公词
饱和片汞也械
杭州赛舆斯吐化学尖验器材有限公词
二电极电池体系
杭州赛奧師电化即丈掘器材百柬公祠
盐載(HC1)
北京化「•厂
乙簡(CjHyOH)
北京化1J•
鋭气(Ar)
北京化T•厂
附注1):
以上化学试剂均为分析純
农]・2
实验册用攻备
实验设条
生产单位
电化学丄件站CHI660C
上淄嚴华仪器公司
恒阳仪R/K浴開
1•洵树立仪能仪农杠限公刚
电了天平BS-224S
it;加多利斯仪/系统行限公司
33实验方法
实驰采用三电极电池体系,以铜电极为硏尢电极,肖•從为0.8mm-人面枳的柏片为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极。
三电极电解槽屮,研究电极室内冇与参比电极宰栢联通的鲁金毛细管.用以消除不同溥液间的液体接界电位。
实脸前.舸电极用金相砂纸抛光打磨,除上铜衣血的铜绣和乐艇,先用洒轿淸洗,再用梯盐酸淸洗,最后用去离子水清洗;恰电极和饱和II•汞电极用去寓了水消洗;三电极电解槽先用晞盐酸淸洗,再用去离子水淸洗。
用电子天平秤取0.221g七水合硫酸亚铁,•溶于250ml容就瓶中,作为电解液.用怛泯仪农水浴锅控制电解液的温度。
实验前.注电解液中通入20分钟氨气,以除上电解液中溶輕的氧。
当电解液达到定温度时,用电化学匸作站测试卜疋+还原的循环伏安曲线和极化曲线。
3.4实验结果与讨论
:
U」F户电沉枳的循环伏安曲线
国3.3不同打描违度下•电沉稅的循环伏安曲线
图3.3为电解液30°C时在不同打描速皮下Fc"电沉枳循环伏安曲线图•如图所示.曲线上只有一个还原峰,说明Fe?
♦的还原是一步进行的,且因为铁只有三个价态,即+3、+2、0,所以Fe2*电沉积的过程为Ff2e・=Fe,参与电化学反应的电子数n=2・
表3.3列出了从图3.3中得到的碌值数据.从表3.3和图3.3中可以看出•峰电位随首M描速率的增大而向负方向移动,可初步判定,盘电解液中发生了不可逆的电极反应。
农3.3爪同门描連f卜得別的峰R)的循环伏安曲线参数
SvsccpRatc(tnV/s)
lp(mA)
1p(V)
Mv)
AE(V)
20
0.785
•0287
-0.212
0.075
40
1.096
•0.368
-0.296
0.072
60
1.364
-0485
-0.417
0.068
80
1.582
-0.532
•0.462
0.070
根据&中的散据.得到了峥电流1卩与和描洙度的平方根V"的关系.如卜图
3.4所示.从图3.4屮町以MV'2为定值,即Ip/V,/2'-j打描速率V无关,进•步说明任电解液屮•发生了不可迎的电极反应。
图3・4lp/V,2|jV的关系图
综I所述•昨电位随廿打描速率的增怎而向负方向胳动•电流与扫描速率平方根的比值与扫描速率无关,根据循环伏安打描理论.Fc*任电解液中的沉枳过程足不可逆的。
对F—个不可逆反应,循环伏安曲线满足以卜公式.即
(31)
1.857RT
anF
其中:
Ep—峰电位(V):
已池——半峰电位(V);R——气体常数(JK」eoU):
T——电解温度(K):
W-一参与电化学反应的电子数:
¥一一法拉第帘数(Cmol)
由农3.4叩的数据,根据公式,it算岀了在不同扫描速率下的阴极传递系数*如卜•农3.4所示。
&3.4不同f|描途书卜得到的林R(的微坏仗安HI线参数
SuesRate(mV/s)
MV)
Epn(V)
AE(V)
a
20
-0.287
0212
0.075
0.327
40
-0.368
0296
0.072
0.340
60
0485
•0.417
0.068
0.360
80
0532
-0.462
0.070
0.350
由表?
.4中的ftffiuT得在该实验条件下•阴极平均表观传递系fta=0.344.
对十彳、可逆的电极反应,循环伏安曲线匕阴杈的还泉堆电流与扫描速率的关糸
其小:
J——雌电流(A):
A匸作电极I削枳(cm,);
(o电活性物丿贞的浓度(mo卜cm'):
D。
一一F』•的旷故系散(cndsj;
n一一参与反M的电T数;
F一法拉第常数(Cmol」);
R一一气体常数(JK-'-mor1);
T——电解温度(K):
v一一电位扫描速率(Vf)
本实验屮/f=0.2562cnAC>3.l8>106molcm3,"303K,将上述各常数代入公式(3.2)中得:
将表3.3中的数据代入公式(3.3)中得表3.5。
丧3.5FeS:
电解液中的扩散系数
SweepRatc(mVrs)
Ip(mA)
D/cnr
20
0.785
6.620*IO*5
40
1.096
6.453*IO5
60
1.364
6.66V10*
80
1.582
6.722*10s
山&3.5可得•任该实验条件F,Fc27f电解洒中的平均扩散系数为/)„6.615x|O'5cm^-s*1
根据be2*电沉积的第环伏安曲线分析可得:
Fe"在旧解液中的电沉稅过僅足不可逆的.11反应足•步进存的,反应的方程式为Fe2、2e=Fe,参打电化字反应的电了籾n=2,阴极衣观传递系数a=0.344・Fc"任乜解液中的平J匀扩散条数为00=6.615*10*5cm2s'•
Z2Fe"电沉枳的稳态极化曲线
为J•确宦铁电沉枳的碎制步骤栗用扫描速度是ImV/s的线性打描伏安法测It不同温度卜Fe"电沉枳的穂态极化曲线,结果如卜因3.5o
ffl3.5不同盘度下Fe"电沉枳稳态极化曲线
由图3.5可甸,曲线人致分为二设:
0.4V〜一0.4V为第•段,任此范田内,电流妖本保持不变:
一0.4V〜一0.6V为第二段,11此范国內.电流开始明显上升,饷电极衣谢有•层薄禅的將色物质,说明岀现J'FcWj电沉积反应;-0.6V以后为第三段,企此范田内电流急痢增大,1L任实验时发现钳斤IV人址气泡冒出,说叨出现了析氮反应。
耍刿断电极反应足受电化学反⑥控制,还足受扩散步煤控制,需嬰划逋电极反应的活化能"由Arrhenius公式可知
KlP:
/为同•过电位卜的电诉h巴为酒化隠:
I为温度:
R为气邙常数:
B01电极反应•定时为常数。
公式(3.4)衷明In/与1〃成直线关系。
在同•过电位卜•,作In/与l/rfT]关系图,根推宜线的斜率,即可计於岀电极反应的活化能。
由图3.5可知,Fe"电沉积的电压范03是-0.4V〜一0.6V段,在此范E0内,不同温度下电压和电流的値如卜•农3.6所示。
农3・6不同温度Ml!
圧仃电涼值
T(K)
It/XI0uA
山朋"XlO^A
Ujoy/X10’A
U5,v/xio4a
293
0.65
0.87
1.26
3.84
303
0.85
1.08
2.44
5.93
313
1.04
1.43
3.40
6.84
323
1.45
2.23
4.20
7.64
附注I):
1小皿我示电压时-0.40V时的电流:
表示电压时O45V时的电温:
Iosov表示电压时・0・50V时的电流:
1心*农示电压时-O.55V时的电流.
由公式(3.4)及表3.6中的数据可得In/与1/7的关系妙如下图3・6所示。
IZT/(x10*)
图3.6In/与l/T关系图
由图3.6可求得不同过电位下的农观活化能,如农3.7所示。
k3.7不同过电位卜•的人观汚亿能
沉枳电位/V
-0.40
-0.45
-0.50
-0.55
衷观活化能/(kj/mol)
20.45
24.28
31.49
17.54
当反应的活化能在12〜16kJ/mol时.此时活化能较低.反应速度的温度系数较小,电极反应受扩散控制;当反应的活化能在16kJ/mol以上时,反应的活化能较离,反应速度的温度系数较人,电极反应受电化学反应揑制。
由农3.7町御,Fe"电沉积的丧观活化能在16kJ/mol以卜.・因此.Fe?
♦电沉积反应受电化学反血控制。
由电化学反应控制的电极反应,町以在电解液屮加入催化剂來降低Fe"电沉枳的表观活化能.提离反应速率,从而提高阴极电流效率。
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- 解法 制备 高纯 电极 过程 研究