标准氢电极

编辑:离愁网互动百科 时间:2019-11-14 18:23:33
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这只是一种假定的理想状态,通常是将镀有一层海绵状铂黑的铂片,浸入到H浓度为1.0mol/L的酸溶液中,不断通入压力为100kPa的纯氢气,使铂黑吸附H2至饱和,这时铂片就好像是用氢制成的电极一样。
中文名
标准氢电极
外文名
Normal Hydrogen Electrode
外文别名
Standard hydrogen electrode
缩    写
NHE & SHE
电极电势
0.000V(任意温度)

标准氢电极简介

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由于单个电极的电势无法确定,故规定任何温度下标准状态氢电极的电势为零,任何电极的电势就是该电极与标准氢电极所组成的电池的电势,这样就得到了“氢标”的电极势。标准状态是指氢电极的电解液中的氢离子活度为1,氢气的压强为0.1兆帕(约1大气压)的状态(标准状态时温度为298.15K)。氢标电极的温度系数也因此为零。
实际测量时需用电势已知的参比电极替代标准氢电极,如甘汞电极氯化银电极等。它们的电极势是通过与氢电极组成无液体接界的电池,通过精确测量用外推去求得的。

标准氢电极一般氢电极(NHE)、标准氢电极(SHE)和可逆氢电极(RHE)之间的区别

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电化学发展的早期,研究人员曾使用一般氢电极作为零电位。这种电极的定义是“铂电极浸在浓度为1N的一元强酸中,放出压力约1atm的氢气”。可见它能够实际实现,因而使用很方便。然而,这样的电极-溶液界面并不完全可逆,所以后来零电位的定义有所改变——新的定义是一个氢离子活度为1mol/L的理想电极-溶液界面(即假设氢离子与其他微粒没有任何相互作用,显然现实中无法实现)。为了便于区分,这个新标准称为“标准氢电极”。
总之,
  • 一般氢电极(Normal Hydrogen Electrode,NHE):铂电极在1N的强酸溶液中所构成的电极(历史标准,现已弃用)。
  • 标准氢电极(Standard Hydrogen Electrode,SHE):铂电极在氢离子活度为1mol/L的理想溶液中所构成的电极(当前零电位的标准)。
可逆氢电极(Reversible Hydrogen Electrode,RHE)是电化学会用于表示电极电位是标准的“零电位”,该词出自JPCC的一篇文章(J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (28), pp 12340–12344 题目:Surface Decoration at the Atomic Scale Using a Molecular Pattern: Copper Adsorption on Cyanide-Modified Pt(111) Electrodes)[1]  。现在电化学论文中更多的采用RHE校正自己体系的参考电极,作为相互比较的通用单位。一般每个电化学体系的RHE稍有不同,比较讲究的文章中Supporting Information有详细的测定方法。
比如这篇文章 《An Oxygen Reduction Electrocatalyst Based on Carbon Nanotube-Nanographene Complexes》[2]  的supporting information 一开始就校正了电极电位,实验本身使用的SCE(饱和甘汞)电极。具体的方法不再赘述。

标准氢电极铂的选择

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在选择用于标准氢电极的铂时,应考虑如下几个因素:
  • 铂的活泼程度(越不活泼自然越不会被腐蚀);
  • 催化氢气变为氢离子的反应的性能;
  • 铂固有的交换电流密度高低;
  • 可逆性的高低(两个完好的标准氢电极的电势相差不超过10μV);
  • 铂表面是否有被镀过(如镀一层铂黑)。这是为了:
  • 增大总的表面积。这会增大了反应的性能,加快反应速率。
  • 更好地吸附氢气到表面上,同样能够加快反应速率。
其他的金属也能用作电极并起到相似的作用,例如

标准氢电极干扰

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由于铂电极有极高的吸附性,避免电极与溶液和有机物或是大气中的氧气接触是很重要的。有氧化性的无机物(如Fe、CrO4等)同样也要与电极隔离。
能够沉积在铂电极表面的阳离子(这些离子会造成干扰):银离子、汞离子、铜离子、铅离子、镉离子和铊离子。
其他一些能使催化剂中毒的物质包括:含硫和含的物质、胶体生物碱以及一些生物体中的物质。

标准氢电极同位素效应

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氘的电极反应方程式如下:
  • 2D(aq) + 2e→ D2(g)
电极电势与氢的略有差异(约-0.013V,不同的文献给出的数据各不相同,如也有-0.044V等说法)。

标准氢电极电极电势的测量

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测量电极电势的装置
图中装置用于测量某一工作电极的电极电势。其中各数字代表含义如下:
  1. 氢气于此处喷出。
  2. H活度为1mol/L的酸溶液。
  3. 水封,防止氧气干扰实验。
  4. 连接到另一工作电极。可以直接连通,也可以使用盐桥,选择何者取决于另一电极的电解液。若减小管径,可以减小混合的程度。[3] 
参考资料
  • 1.    María Escudero , José F. Marco and Ángel Cuesta * Instituto de Química Física “Rocasolano”, CSIC, C. Serrano, 119, E-28006 Madrid, Spain.Surface Decoration at the Atomic Scale Using a Molecular Pattern: Copper Adsorption on Cyanide-Modified Pt(111) Electrodes:ACS Publications,2009
  • 2.    Yanguang Li, Wu Zhou, Hailiang Wang, Liming Xie, Yongye Liang, Fei Wei, Juan-Carlos Idrobo, Stephen J. Pennycook & Hongjie Dai.An oxygen reduction electrocatalyst based on carbon nanotube–graphene complexes:Nature,2012
  • 3.    标准氢电极  .维基百科,自由的百科全书[引用日期2014-08-5]
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