全书共分9章，在介绍电化学测量基础知识的基础上，加入了测试新技术和新方法，内容包括电化学测量的基本原则和主要步骤、电极过程控制及其动力学方程、稳态极化曲线的测定、控制电流暂态法、控制电位暂态法、电化学阻抗法、电化学噪声法、电化学扫描探针显微技术等，以及在金属腐蚀、表面涂层防护、新能源材料器件等方面的电化学性能的评价和应用，还包括电化学测试仪器的基本构造、通用仪器及其使用的基本实验技术。
本书可作为高等院校材料科学与工程、能源与化工等专业课程的本科和研究生教材，也适合材料科学与工程、能源与化工等领域的相关技术人员参考使用。
进入21世纪,随着电化学技术、电子技术和计算机技术的发展,电化学测量技术迅速发展起来,电化学测量仪器也越来越趋于自动化、多功能化、信息化。电化学测量技术在航空航天、船舶、交通、桥梁、石油管道、天然气输送、地铁及隧道等工程材料的选择、防腐设计和表面工程方面得到广泛应用;不仅在传统金属腐蚀、表面防护、电镀、电解、化学电源、阳极氧化及电分析化学等领域的应用很重要,而且在纳米材料、能源材料等新材料的开发和应用方面发挥了重要作用。
作者在上大学时就觉得电化学测量技术很重要但又比较难学,经过20多年“电化学测试技术”课程的教学,更觉得电化学测量技术的重要,特别是在新材料性能评价以及装备的腐蚀与防护中尤显重要。
本书是作者以前辈刘永辉教授编写的《电化学测试技术》教材为基础、根据20多年的教学积累修改补充编写而成的。电化学测量技术内容广泛,按照电化学反应过程不同可分为稳态法和暂态法;按照控制信号不同可分为阶跃法、方波法、线性扫描法、交流阻抗法;按照测量环境不同又可分为原位测量法、非原位测量法和微区测量法等。这些方法各有特点,应根据研究对象和实验目的进行选择。电极和电解池的设计与制备是电化学测量的重要环节,也是最为基础的部分,不可忽视。为了正确选择和使用测量仪器,或自制某些测试设备,本书还介绍了运算放大器及常用电化学测试仪器的基本原理。
本书的目的在于,向已具有电化学基础知识的大学生或科技人员介绍电化学测量技术的基本原理、方法和典型实际应用。电化学测量的应用极广,本书除在各种测量方法中举了一些实例外,还在第9章中讨论了一些在腐蚀和防护等方面的应用。希望读者能举一反三,将其推广到各个电化学领域中。本书在编写过程中,得到了许多老师和研究生的支持和鼓励,吸收了国内外许多同行的研究成果,引用了相关的论文、专著等资料,本书作者在此对这些帮助表示衷心的感谢。由于时间仓促和水平局限,书中难免有不足之处,欢迎读者给予指正。
作者
2020年10月
第1章电化学测量概述1
1.1电化学测量方法1
1.2电化学测量的基本原则2
1.3电化学测量的主要步骤3
第2章稳态极化曲线与动力学方程式4
2.1电极的极化4
2.1.1电极的极化现象4
2.1.2电极极化的原因5
2.1.3稳态极化曲线5
2.2电极过程与控制步骤7
2.2.1电极过程的基本历程7
2.2.2电极过程的速度控制步骤8
2.3电极反应与交换电流9
2.4电化学极化方程式10
2.4.1电化学极化的基本实验事实10
2.4.2电化学极化的基本方程式11
2.4.3几种特定情况下的电化学动力方程式11
2.5浓差极化方程式14
2.5.1理想情况下的稳态扩散过程14
2.5.2浓度极化方程式16
2.6电化学极化与浓差极化同时存在的极化曲线18
思考题20
第3章稳态极化曲线的测定21
3.1稳态法的特点21
3.2控制电流法和控制电位法22
3.3三电极体系与电流和电位的测定25
3.3.1三电极体系25
3.3.2电解池32
3.3.3电流的测量37
3.3.4电极电位的测定37
3.4逐点调节和阶梯波法测定稳态极化曲线39
3.5慢扫描法测定稳态极化曲线43
3.6旋转圆盘和环盘电极及其应用46
3.6.1旋转圆盘电极46
3.6.2旋转环盘电极50
3.7稳态极化曲线的应用51
3.7.1在电化学基础研究方面的应用51
3.7.2在腐蚀科学中的应用54
3.7.3在化学电源中的应用56
3.7.4在表面防护中的应用58
思考题59
第4章控制电流暂态法60
4.1暂态法概述60
4.1.1暂态过程和暂态测试方法60
4.1.2暂态过程的等效电路62
4.1.3暂态测量方法65
4.2电化学极化下的控制电流暂态测试方法66
4.2.1电流阶跃法67
4.2.2断电流法69
4.2.3方波电流法70
4.2.4双脉冲电流法71
4.3浓差极化下的控制电流暂态测试方法72
4.3.1电流阶跃极化下的暂态扩散过程72
4.3.2过渡时间τ的测定及其应用74
4.3.3可逆电极体系的电位时间曲线75
4.3.4完全不可逆电极体系的电位时间曲线75
4.3.5准可逆电极体系的电位时间曲线76
4.4控制电流暂态实验技术77
4.4.1控制电流暂态法实验条件的选择77
4.4.2电流阶跃实验技术78
4.4.3断电流法实验81
4.4.4方波电流法实验82
4.4.5双电流脉冲法实验84
4.5控制电流暂态法的应用84
4.5.1恒电流充电法研究电极表面覆盖层84
4.5.2研究氢在铂电极上析出的控制步骤问题88
4.5.3控制电流暂态法测定内阻90
思考题92 第5章控制电位暂态法93
5.1控制电位暂态法的种类和特点93
5.2电化学极化下的电位阶跃法94
5.2.1电位阶跃法94
5.2.2方波电位法97
5.3浓差极化下的电位阶跃法99
5.4线性电位扫描法103
5.4.1小幅度线性电位扫描法103
5.4.2大幅度线性电位扫描法105
5.5控制电位暂态法实验技术111
5.6控制电位暂态法的应用117
5.6.1电位阶跃法测定电极真实表面积117
5.6.2方波电位法研究特性吸附现象120
5.6.3小幅度三角波电位法研究电极表面覆盖层121
5.6.4三角波电位法研究电极反应123
思考题125
第6章电化学阻抗法126
6.1电化学阻抗法导论126
6.1.1交流阻抗概述126
6.1.2电化学阻抗谱129
6.1.3等效组件与等效电路130
6.2电化学极化控制下的交流阻抗法139
6.2.1电化学极化控制下的阻抗及等效电路139
6.2.2频谱法测量体系参数139
6.2.3极限简化法测量体系参数141
6.2.4复数平面图法测量体系参数141
6.2.5电化学阻抗谱的时间常数142
6.3浓差极化控制下的交流阻抗法145
6.3.1存在浓差极化时交流电极化引起的表面浓度波动145
6.3.2存在浓差极化时可逆电极反应的法拉第阻抗147
6.3.3存在浓差极化时准可逆电极反应的法拉第阻抗148
6.3.4电化学极化和浓差极化同时存在时电极的法拉第阻抗149
6.4电极反应表面过程的法拉第阻纳151
6.4.1不同几何形状的电极151
6.4.2电极表面吸附152
6.4.3固体表面成膜153
6.5电化学阻抗谱的数据处理与解析156
6.6电化学阻抗法的应用157
6.6.1电化学阻抗法研究金属腐蚀158
6.6.2电化学阻抗法研究表面涂层的防护性能159
6.6.3电化学阻抗法在能源器件上的应用161
思考题164
第7章电化学测试仪器165
7.1电化学测试仪器概述165
7.2恒电位仪和恒电流仪168
7.2.1恒电位仪基本电路分析168
7.2.2恒电位仪基本性能和设计要求170
7.2.3恒电位仪主要性能的检测方法178
7.2.4恒电位仪应用的灵活性181
7.2.5恒电流仪182
7.3电化学工作站183
7.3.1电化学工作站的原理及特点183
7.3.2CHI电化学工作站简介184
第8章电化学扫描探针显微技术189
8.1电化学扫描探针显微技术概述189
8.2电化学扫描隧道显微镜190
8.2.1STM的工作原理190
8.2.2ECSTM装置192
8.2.3ECSTM的应用194
8.3电化学原子力显微镜198
8.3.1AFM的工作原理及技术198
8.3.2ECAFM装置200
8.3.3ECAFM的应用200
8.4扫描电化学显微镜204
8.4.1SECM的工作原理204
8.4.2SECM装置及工作模式205
8.4.3渐近曲线207
8.4.4SECM的应用208
8.5微区电化学扫描探针技术211
8.5.1扫描振动参比电极技术211
8.5.2扫描开尔文探针213
8.5.3局部电化学交流阻抗谱214
思考题216
第9章金属腐蚀速度的电化学测定方法217
9.1金属电化学腐蚀速度基本方程式217
9.2塔菲尔直线外推法测定金属腐蚀速度219
9.3线性极化法测定金属腐蚀速度223
9.3.1基本原理223
9.3.2bA和bK的测定224
9.3.3极化电阻Rp的测定方法225
9.3.4线性极化法的适用性及主要误差来源230
9.4弱极化区三点法测定金属腐蚀速度231
9.5恒电流暂态法测定极低的腐蚀速度233
9.5.1切线法233
9.5.2两点法234
9.6金属局部腐蚀速度的测定236
9.7电偶腐蚀速度的测定239
9.8三角波电位扫描法预测金属点蚀和缝隙腐蚀的敏感性242
9.8.1点蚀敏感性的预测242
9.8.2缝隙腐蚀敏感性的评定245
9.9动电位扫描法测定电位pH图和等腐蚀速度图246
9.9.1理论电位pH图246
9.9.2实验电位pH图的绘制250
9.9.3等腐蚀速度图的测绘251
9.10电化学噪声研究金属腐蚀255
9.10.1电化学噪声的分析256
9.10.2电化学噪声的测定263
9.10.3电化学噪声在金属腐蚀研究中的应用264
思考题278
附表A某些国际制(SI)单位和物理常数279
附表B标准电池电动势,饱和甘汞电极电位,2.303RT/F值及饱和水蒸汽压力281
参考文献282
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