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Ni在H₃PO₄/SCN^-溶液中的电流振荡研究

作　者: 黄美燕
导　师: 雷惊雷
学　校: 重庆大学
专　业: 化学
关键词: Ni/H3PO4/SCN-电化学振荡功率谱重构相空间 XPS 数值模拟
分类号: O646
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

化学振荡特别是以电化学振荡为代表的非平衡非线性有序现象受到了广泛关注，电化学振荡的深入研究不但可以丰富和完善非线性科学，其理论研究还可以促进非线性动力学的发展。本文首先实验研究了Ni在H₃PO₄/SCN^-溶液中的电流振荡行为。分别考察了电势、SCN^-浓度、H₃PO₄浓度对振荡行为的影响，并借助于重构相空间、功率谱等方法分析了电流-时间序列。研究表明：Ni/H₃PO₄/SCN^-电流振荡以单周期振荡为主，随着电势、SCN^-浓度、H₃PO₄浓度变化，可呈现混合模式振荡（MMO），且极化过程中电极表面有黑色膜层的生成，介于振荡区和钝化区之间观察到了黑色膜层的破裂和脱落；振荡诱导时间较短，平均振荡周期可以用平均活化周期（tactive）和平均钝化周期（tpaaive）表示；电势和SCN^-对最大电流密度（imax）、振幅（Δi）、tactive、tpaaive影响不同，可以认为是一对相互制约因素；而增加H₃PO₄浓度可以同时加速活化-钝化过程，振荡频率（1/t_p）、t_active和t_passive都减小，表明H₃PO₄在振荡机制的作用与电势和SCN^-在振荡中的作用不同。在上述研究基础上，考察了强力搅拌对振荡过程的影响，结果表明振荡过程主要受离子扩散步骤控制。结合紫外可见分光光度计测定了振荡过程中Ni²⁺浓度和估算了电极反应的表观速率常数（Kb），结果表明Ni²⁺浓度随着振荡时间的增加而增大，Ni溶解生成Ni²⁺的反应可按照一级反应处理，拟合的速率常数为1.43×10^-4s^-1。采用用X射线光电子能谱仪（XPS）分别鉴定和测定了电极表面黑色膜层的成分和含量，XPS结果表明黑色膜层表面主要成分是Ni（OH）₂、S、S^2-、Ni_xS_y、S_xO_y^2-等；而XPS径向分析显示Ni（OH）₂主要存在于膜层表面，可能与振荡过程中电极附近pH值偏高有关，并对比了18s和20s样品中S、NiS、Ni_xS_y、S^2-、Sn^2-、S_xO_y^2-等含量差异。用扫描电子显微镜（SEM）观察了电极表面形貌，结果显示黑色物含量随振荡时间的增加而增多，但振荡行为并未因黑色物的增加而发生显著变化，因此认为黑色物对振荡机制的影响不明显。最后，根据上述实验研究定性解释了黑色膜层的形成和脱落过程；探讨Ni/H₃PO₄/SCN^-体系的电流振荡机制，简化反应历程，抽象出了描述振荡的三分子模型；运用动力学方法进行分析并数值模拟振荡现象。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 电化学振荡  8-12
    1.1.1 电化学振荡产生条件及其特点  9
    1.1.2 电化学振荡研究方法和振荡行为  9-11
    1.1.3 电化学振荡体系分类  11-12
    1.1.4 应用前景  12
  1.2 镍(Ni)及其电化学振荡  12-13
    1.2.1 镍(Ni)  12
    1.2.2 镍的电化学振荡研究概况  12-13
  1.3 本课题主要研究内容  13-16
2 实验部分  16-24
  2.1 实验试剂与仪器  16
    2.1.1 实验试剂  16
    2.1.2 实验仪器  16
  2.2 实验装置  16-17
  2.3 实验方法  17-20
    2.3.1 循环伏安法  17-18
    2.3.2 线性扫描伏安法  18
    2.3.3 恒电势法  18-19
    2.3.4 紫外可见光分光光度法  19
    2.3.5 X 射线光电子能谱法  19
    2.3.6 扫描电子显微镜  19-20
  2.4 非线性动力学方法  20-22
    2.4.1 功率谱  20-21
    2.4.2 重构相空间  21
    2.4.3 数值模拟  21-22
  2.5 Matlab 软件  22-24
3 三种因素对 Ni/H_3PO_4/SCN~-体系的振荡行为影响  24-44
  3.1 Ni/2MH_3PO_4/0.1MSCN~-的极化行为  24-27
  3.2 电势对振荡行为的影响  27-32
  3.3 SCN~-浓度对振荡行为的影响  32-36
  3.4 H_3PO_4浓度对振荡行为的影响  36-41
  3.5 本章小结  41-44
4 Ni/H_3PO_4/SCN~-体系振荡机理研究  44-66
  4.1 搅拌对振荡行为的影响  44-45
  4.2 Ni~(2+)浓度和速率常数  45-47
  4.3 电极表面成分及其含量  47-53
  4.4 膜层的 XPS 刻蚀分析  53-56
  4.5 电极表面形貌  56-57
  4.6 振荡机理定性分析  57-58
  4.7 振荡机理数值模拟  58-63
    4.7.1 Ni 阳极溶解步骤的建立  58-59
    4.7.2 Ni/H_3PO_4/SCN~-振荡模型  59
    4.7.3 演化的动力学方程  59-61
    4.7.4 平面上的动力学区域图  61
    4.7.5 状态变量-时间曲线  61-63
    4.7.6 电流-时间曲线  63
  4.8 本章小结  63-66
5 总结与展望  66-68
  5.1 总结  66-67
  5.2 展望  67-68
致谢  68-70
参考文献  70-80
附录  80
  A. 作者攻读学位期间发表的论文  80

Ni在H3PO4/SCN-溶液中的电流振荡研究

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