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CV曲线中氧化峰和还原峰不对称说明了什么?

CV曲线中氧化峰和还原峰不对称说明了什么?

说明:本文主要介绍CV中氧化峰与还原峰的峰高、峰位和电荷差异,以及溶液反应、固态离子嵌入和电催化过程产生不同回扫响应的原因。

CV 中的“不对称”指什么?

CV 把电极电位按设定速度扫过反应区,再改变方向扫回。氧化峰与还原峰分别对应两个扫描方向上的电流极值。峰高是瞬时电流,不是这半圈转移的总电量。

如果两个峰宽度不同,即使峰顶电流相等,峰下的电荷也可能不同;比较电荷时,需要扣除背景电流,并按扫描速度把电流—电位曲线换算为电流—时间积分。

峰位差则回答另一件事:正向与反向反应各自在什么电位达到最大速率。峰位拉开可能来自电荷转移速率、未补偿电阻或传质,也可能来自固体中的相变和路径滞后。

即使是溶液中的同一氧化还原对,电极材质改变也会改变可见峰形;铁配合物在碳纸电极上出现成对峰,而在所用玻碳电极上几乎没有可辨峰。

图1. 含膦酸配体的铁配合物在碳纸与玻碳电极上的CV,以及对称电池的容量、电压和微分容量曲线。DOI:10.1038/s41467-024-45862-3

这类电极对比提醒我们,峰高还受有效电极面积、界面接触和背景电流影响。

要把两个峰的差别归于反应本身,先要知道氧化还原物种在哪里:在溶液中自由扩散,还是作为电极材料的一部分固定在固体里。

两种情况的“回扫”,追踪的并不是同一类过程。

溶液氧化还原对的回扫峰为何变弱?

对溶解的氧化还原对,正扫若先把 Red 氧化成 Ox,反扫的还原峰就依赖电极附近还剩多少 Ox。若 Ox 能稳定存在,且电子转移足够快,正反扫会形成可辨的成对峰。

反之,Ox 在反转电位到达前发生后续化学反应,能被还原回 Red 的 Ox 减少,回扫峰便会降低;电子转移本身快,并不保证化学产物能完整返回。

这个后续反应与扫描速度竞争。扫得慢,从正扫生成 Ox 到反扫重新经过它的电位区间,间隔更长,化学消耗更充分;扫得快,部分 Ox 来得及在界面重新得电子,回扫峰可能恢复。

溶液扩散也随时间展开,所以峰电流比的变化要放在相同浓度、电极与反转电位下比较,不能把扫速效应全算成一个化学速率常数。

图2. 钴卟啉与溴丁烷体系在不同浓度、扫速下的CV,以及反扫/正扫峰电流比随反应条件的变化。DOI:10.1038/s41467-024-47210-x

钴卟啉体系先发生还原,随后还原态钴与溴丁烷反应,因而被削弱的是反扫的氧化峰。

这里的扫描方向与“先氧化、后还原”的例子相反,核心关系却相同:界面先生成的物种被后续反应消耗,回扫便少了可返回的物种。

反应物浓度升高或扫速降低时,峰电流比随之变化,为区分单纯电子转移与电子转移后接化学反应提供了时间尺度信息。

如果电子转移本身变慢,两个峰的电位也会分开;未补偿电阻同样会放大表观峰间距。只看某一条CV上“回扫峰小”,无法在这些机制之间作唯一选择。

溶液体系的特征是可以通过反应物浓度与扫描时间改变界面附近的产物存量;到了储能电极,离子还要进出晶格,电极状态本身会随扫描而变。

固态电极的嵌入与脱出为何出现电位滞后?

电池正极中的金属氧化还原常与离子嵌入、脱出同时发生。氧化和还原扫过的不是一团自由扩散的同一溶液,而是不同离子占位、局部应变和相组成的固体。

即使总电荷接近,脱出与重新嵌入也可能经历不同的成核、相界移动和离子迁移过程,使两个方向达到峰值的电位和峰宽不同。

NaVPO4F 电极给出一种对照:多数钠离子嵌入/脱出区间呈连续固溶行为,CV 中出现几组较宽的成对峰;

约 3.51 V 附近还有一组较尖的峰,对应充放电曲线中的短平台,论文将其视作可能发生相转变的区间。

不同电位区的峰宽和峰间距不必一致,因为它们对应的晶格响应不完全相同。

图3. NaVPO4F 电极的充放电曲线、CV、多倍率响应及扩散系数;CV 含尖峰与多组宽峰。DOI:10.1038/s41467-022-31768-5

这组钠电极数据的结构结论并非由CV峰形单独给出:原位和离位结构表征支持其整体以固溶反应为主,短平台所在区间才提出可能的相变。

峰位滞后也不能一概等同于相变;电解液电阻、界面电荷转移与固相离子扩散都会增加正反扫所需的过电位。

扫速降低后仍保留的滞后可能包含路径依赖,而随扫速扩大的部分还会叠加动力学阻力和欧姆降。

两相共存怎样改变嵌锂路径?

锂离子嵌入金属有机框架时,两个材料也走出了不同路径。萘基框架 SD-Naph 的电位曲线出现平台和轻微滞后;

另一种多组分框架 SD-NBP(762202) 的电位随锂含量较连续地变化。不同嵌锂程度下的衍射峰能够分辨原始相与嵌锂相是否共存。

图4. 两种框架材料嵌锂时的电位轨迹与离位XRD:萘基框架出现两相峰共存,多组分框架的峰随锂含量改变。DOI:10.1038/s41467-023-37120-9

SD-Naph 的原始相与嵌锂相衍射峰同时存在,和两相共存相符;SD-NBP(762202) 没有出现同样清楚的双峰共存区。

两组结构信号为电位路径差异提供了独立依据。相反,若只有一条CV的氧化峰、还原峰分开,既不能直接判定相分离,也不能计算出相界能。

另一组固态对照是 CoOOH 与 Ni(OH)2 薄膜:前者的CV较接近均匀固溶模型,后者的氧化与还原峰宽、峰位差更明显;相分离模型把差别与相界能及两个方向的不同转变路径联系起来。

这里的“返回”是固体占位和相边界的演化,不宜直接套用溶液中回扫峰电流比等于一的理想图景。

出现催化电流后,该如何解释峰?

在前两类体系中,峰主要记录电极附近已有物种的转化,或电极内部离子占位的变化。

电催化多了一个持续输入:底物从溶液抵达电极后被消耗,催化位点再生并继续周转。

此时正扫或反扫的一侧可以出现快速上升的催化电流,电流大小不再只由上一半圈积累了多少“可逆产物”决定。

钴咔咯配合物在惰性气氛下有自身的氧化还原响应;加入 CO2 和质子来源后,负电位区的还原电流显著增大。

该体系同时涉及催化剂还原、底物供给与质子参与,强电流不能简单读成“与某个氧化峰配对的还原峰”。

若把催化波的峰顶与惰性条件下的回扫峰直接作峰高比,比较的其实是不同反应通量。

图5. 钴咔咯的结构、不同气氛和质子来源下的CV,以及碳电极上的 CO2 还原电流。DOI:10.1038/s41467-019-11868-5

CO2 持续从溶液抵达钴咔咯位点时,回扫电流仍可能含有催化周转贡献;惰性气氛中的配合物氧化还原峰没有这一路电流。

二者即使位于相近电位,也不能按同一对峰的氧化、还原电荷互相抵消。底物浓度和质子供给改变的首先是催化反应通量,不是上一半圈所储存的氧化态或还原态总量。

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