电化学工作站的原理

　　电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。从电化学学科的产生到现在，已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。

　　电化学测试是使用电化学测试设备给被测系统施加激励，使用电化学测试设备检测被测系统的响应，之后进行数据分析，得到系统的特性，达到研究被测系统的目的。电化学工作站便是其中的电化学测试设备。

　　电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学中重要的测量设备，电化学工作站的本质是用于控制和监测电化学池中的电流、电位及其它电化学参数变化的仪器设备[5]。电化学工作站的系统组成结构图如图2-1所示。

　　图2-1 电化学工作站的系统组成结构图

　　下位机由主控制电路、电化学参数测试电路、电源电路等组成。

　　接口技术是以实现数据的双向快速、准确的传输为目的，常用的是RS232串口、RS458、CAN总线、USB技术等接口技术，传统的电化学工作站的接口技术使用的是RS232串口，传输速率低。

　　上位机的主要功能是利用计算机强大的计算能力分析数据，提供一个友好的软件界面能使研究者使用电化学工作站更方便，这也是以人为本的设计思想的体现。计算机只要有Windows 7操作系统、USB接口，就可以使用我们研制的电化学工作站，可以是普通的微型计算机，也可以是小型计算机，还可以是大型的计算机。

　　我们制作的电化学工作站的主控制电路主要实现控制下位机的运行、控制产生需要的激励信号、控制测试参数、控制数据传输的功能。电化学参数测试电路包括恒电流仪、恒电位仪及其它测试系统。

　　恒电流仪：是一种重要的腐蚀检测和电化学测量仪器，在电极过程动力学、电分析、电解、电镀、金属相分析、金属腐蚀速度测量和各种腐蚀和防腐蚀研究，以及电化学保护参数测试等方面具有广泛的用途[6]。恒电流仪能单独使用，也能配合其他仪器如信号发生器、直流示波器、对数转换器等进行多种动态和静态、暂态和稳态的试验测量，适用于不同的科研研究、教学试验和新产品开发及各种测量。

　　恒电位仪：是随着环境条件的变化能自动地调整电流，使被控对象的电位保持恒定的仪器。恒电位仪整体说是一个负反馈放大—输出系统，与被保护极构成闭环调节，通过参比电极测量通电点电位，作为取样信号与控制信号进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使通电点电位得以保持在设定的控制电位上。

　　三电极系统：三电极系统的示意图如图2-2所示。

　　图2-2 三电极系统示意图

　　三电极系统是电化学测量应用中常用的一种系统结构，主要包含工作电极(working electrode,WE)、辅助电极(counter electrode,CE)、参比电极(reference electrode,RE)。三电极系统主要研究的是工作电极的电极过程。由于电解液是有电阻、电容、电感的，所以三电极系统可以用图2-3的电路进行模拟。

　　图2-3 三电极系统模拟电路图

　　这样，三电极系统便可以用两个回路来描述。由工作电极、辅助电极、电源组成的回路是用来传输电子，使工作电极产生相应的电化学反应的，由工作电极、参比电极组成的回路是用来测试工作电极的电位的。

　　三电极系统是由两个电极系统发展而来的，常用的还有四电极系统及其它的多电极系统。两个电极系统是指只有工作电极、辅助电极的系统，由于在进行电化学测试时工作电极的电位及辅助电极的电位是变化的，所以所测的参数在一定范围内是变化的，在这个两个电极系统加入一个电极电位不变的参比电极就可以精确地测量工作电极、辅助电极的电位了。参比电极的作用是可以提供一个稳定的电极电位。