铂电极上溶液酸碱性的电位溶出法响应精.docx

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铂电极上溶液酸碱性的电位溶出法响应精

铂电极上溶液酸碱性的电位溶出法响应

李建平1,2　彭图治31

1（浙江大学西溪校区化学系,杭州310028　　2（桂林工学院应用化学系,桂林541004

摘　要　提出了一个广谱测定强酸、强碱溶液浓度的方法。

用铂电极作工作电极,电位溶出法对溶液酸碱性产生响应。

通过调节沉积时间和沉积电位,利用电位溶出法可以检测溶液酸、碱的浓度范围为2.5mol/LH+

～1.0mol/LOH-。

详细研究了不同测定范围的实验条件,以及溶出过程的响应机理。

在不同酸碱性溶液中电沉积产生的氢吸附于电极表面,溶出过程中被溶液中的氧氧化成氢离子,从而产生电位平台。

该平台的出现还与随后的电极表面金属/金属氧化物电对电位值有关。

关键词　强酸强碱测定,电位溶出法,铂电极

　2001207224收稿;2002201204接受

本文系浙江省自然科学基金和浙江省分析测试基金资助项目

1　引　　言

溶液酸碱性的测定常采用pH玻璃电极法。

近来基于光学及电化学法pH传感器的研究也引起人们的重视1～3。

但迄今所见的传感器通常测定范围较窄,多数不能用于强酸强碱的测定。

而目前测定强酸和强碱的主要方法仍为传统的酸碱滴定法。

因此,研制开发能用于强酸、强碱溶液测定的传感器是重要的研究课题之一。

文献4,5报道了强酸型光学传感器,测定的酸浓度最高达11mol/LHNO3。

文献6报道了用于碱性溶液测定的光学传感器。

能用于酸性或碱性溶液测定的电化学传感器及分析法相对较少7～11。

用于强酸和弱酸测定的电化学分析法主要集中在基于溶液中H+在微铂电极上还原的伏安分析法7,8,而用于碱性溶液测定的方法主要是根据OH-在电极上氧化时产生氧化峰的伏安法和金属/金属氧化物电极对H+响应的电位法10,11。

电位溶出法自D.Jagner提出以来,在无机元素分析尤其是重金属元素痕量分析方面得到了广泛的应用,在有机分析甚至DNA检测等领域的应用也有报道12,13。

但电位溶出法对溶液酸碱的响应及用来测定溶液的酸碱性尚未见报道。

本文研究了一种广谱测定溶液酸碱性的方法,利用铂电极电位溶出法可实现强酸（如2.5mol/L硫酸、强碱（1.0mol/L氢氧化钠溶液浓度和pH值的测定。

2　实验部分

2.1　仪器与试剂

实验测定均在CHI660电化学系统（美国CHI公司上进行,采用三电极系统:

铂圆盘电极（Φ=1.5mm为工作电极,Ag/AgCl电极作参比电极,铂丝为对电极。

实验中使用的酸为硫酸、盐酸和硝酸。

缓冲溶液为Briton2Robinson溶液（0.01mol/LH3PO42H3BO32CH3COOH,缓冲溶液的pH通过加入0.5mol/LHCl或KOH来调节。

溶液pH的测定由231型pH电极对照。

所用化学试剂均为分析纯,实验用水先经离子交换再蒸馏得到。

铂电极表面用Al2O3粉抛光,再于2mol/LHCl220%（V/V乙醇溶液中超声振荡15min,即可直接使用。

2.2　实验方法

将三电极置于溶液中,每次测定前先搅拌溶液,然后停止搅拌使溶液静止30s,随即进行电位溶出,测量溶出时间。

电位溶出法的参数（沉积电位、沉积时间和终止电位,可随溶液的酸碱性不同而进行相应的选择。

第30卷

2002年6月　　　　　　　　　　　　分析化学（FENXIHUAXUE　研究报告ChineseJournalofAnalyticalChemistry　　　　　　　　　　　第6期670～674

　图1　沉积电位对溶出时间的影响

　Fig.1　Effectsofdepositionpotentialontheresponseofstrippingtimea.pH2.0沉积电位从右到左分别是（the

depositionpotentialswere-0.90、

-0.80、-0.70、-0160、-0.50、

-0.40Vrespectivelyfromrighttoleft;b.pH10.0沉积电位从右到左分别是（thedepositionpotentialswere-1.20、-1.10、-1.05、-1.00、-.095、-0.90、-0.85、-0.80Vrespectivelyfromrighttoleft。

3　结果和讨论

3.1　沉积电位和沉积时间

实验条件中沉积电位、沉积时间对电位溶出法

响应溶液酸碱性有很大影响。

一般情况下,沉积时

间越长、沉积电位越负,则电位溶出的时间越长,而

溶液的酸性越强,溶出时间也越长。

这就为针对溶

液的酸碱性不同通过调整不同的实验条件,从而分

别测定不同的酸性、碱性溶液提供了基础。

对酸性

溶液,可选择较正的沉积电位和较短的沉积时间;而

对强碱的测定,可调节较负的沉积电位,并相应延长沉积时间。

实验中发现对于酸性或碱性溶液,沉积时间为0.01s以下时,得到的曲线基本重合;而采用短的沉积时间往往可以得到更好的重现性,故以下的实验中均选择≤0.001s的沉积时间。

图1（a2b、图2（a2b分别是不同沉积电位和沉积时间下酸性和

碱性溶液的溶出电位图。

3.2　溶液静止时间

　图2　沉积时间对溶出时间的影响

　Fig.2　Effectsofdepositiontimeontheresponseofa.pH

2.0;b.pH10.0

实验中发现每次测定后,用湿滤纸轻轻擦拭电

极表面,或激烈搅拌溶液,可保证测定的重现性。

采

用溶液搅拌法时,停止搅拌溶液后至开始测定前的

停止时间对测定有一定影响。

当该时间大于20s

时,测定的重现性较好。

实验中选用30s。

3.3　线性范围

选择不同沉积电位和沉积时间可得到酸性、碱

性不同溶液的校准曲线,结果如表1。

其中0.1～2.5

mol/LH2SO4的溶出曲线示于图3。

可见,采用铂电

极的电位溶出法对酸碱性溶液都有响应,检测范围

宽,从2.5mol/L硫酸至1.0mol/L氢氧化钠。

3.4　精密度对pH2.0和pH10.0B2R缓冲溶液分别进行11次测定,得到相对标准偏差（RSD分别为1.4%和2.1%,满足分析要求。

表1　测定范围及条件

Table1　Concentrationrangesforcalibration

溶液及浓度范围

Solutionsandconcentrations

线性回归方程Linearregressionequationsr实验条件Determinationcondition0.2～2.5mol/LH2SO4

t（s=11.749C+6.1380.9990Ed=-0.35V,td=0.0001s0.005～0.05mol/LH2SO4

t（s=59.26C+0.51840.9986Ed=-0.35V,td=0.0001spH1～6B2Rbuffersolution

lnt=-1.063pH+5.8900.9993Ed=-0.70V,td=0.0001spH6～11B2Rbuffersolution

lnt=-0.5023pH+5.3940.9990Ed=-0.90V,td=0.0001s0.005～0.05mol/LNaOHsolution

t（s=-34.39C+46.720.9985Ed=-1.10V,td=0.001s0.1～1mol/LNaOHsolutiont（s=-23.286C+31.18

0.9971Ed=-1.20V,td=0.001s3.5　机理研究

为研究电位溶出法中溶出电位值所对应的相关信息设计了如下实验:

当溶液按实验方法所给定的条件（为延长溶出时间可相应减小沉积电位并延长沉积时间进行电位溶出测定时,在溶出进行一段时

176第6期李建平等:

铂电极上溶液酸碱性的电位溶出法响应　　

间后,开启搅拌器,使溶液得到快速搅拌,发现电位值迅速上升,达到一稳定值,如图4所示。

不同pH

溶　图3　0.01～1.0mol/L硫酸的电位溶出曲线

　Fig.3　Thestrippingcurvesofsulfuricacidsolutionsof0.01

～1.0mol/L

Ed=-0.35V;td=0.0001s

。

　图4　E1、E2值的确定　Fig.4　DeterminationofthevaluesofE1、E2　

a.1.0mol/LH2SO4;b.pH3.0;c.pH10.0;d.1.0mol/LNaOH。

液E1、E2发生变化,有所谓的对溶液pH值的响应。

文献11指出,Pt电极置于溶液中,表面金属与金属

氧化物间有一个平衡,因此,溶液中可能有如下反应:

Pt+2H2OPtO+2H++2e

（1同时溶液中存在的氧也可能有下面的半反应:

O2+2H2O+4e

4OH-（2因而电极表面产生Pt/PtO或O2/OH-电对,该电对电位受溶液pH值影响,因此对pH产生响应。

E2应对应于Pt电极上电对Pt/PtO或O2/OH-的电位值。

由于在每次测定中,即使在碱性条件下,阴极

电极表面也有气泡产生,显然生成的是氢,因而E1对应于电对H+/H2的电位值。

当在被N2所饱和的溶液中进行电位溶出,除溶出时间大大延长外,溶出电位与未除氧时完全相同,E1、E2保持不变（如图5。

说明E1、E2均不受O2浓度的影响,因此,E2的值以（1式表达更为合理。

为进一步确定E1、E2所对应的电位值,下面又进行了开环路电位2时间（OCPT实验（即在电路断开情况下测量电极电位随时间的变化,结果如图6所示。

加负电位于铂电极一定时间后,断开电路,迅速测定阴极电位,得到一个稳定的电位值,如图6中e、f、g和h;重新按实验方法溶出后,测定OCPT,得另一个稳定的电位值,如图6中a、b、c和d。

可见,每份溶液可得到两个电位值,我们推断这两个电位值应与图5一致。

另外,从pH2.0和pH10.0的Briton2Robinson缓冲溶液的循环伏安图中也看出E1

对应于　图5　溶液除氧与未除氧的对比

　Fig.5　Thecomparingofthecurves

　a.除氧（deoxidize;b.未除氧（non2deoxidize

。

　图6　开环路电位实验　Fig.6　Opencircuitpotential2timetest　a,e.1.0mol/LH2SO4;b,f.pH2.0;c,g.pH10.0;d,h.1.0

mol/LNaOH。

氢的氧化峰A1,而E2对应于Pt的氧化峰A2。

E1=EoH+/H2+RT/FlnH

+E2=EoPtO/Pt+RT/FlnH+

通过计算可以求出E1,如表2。

表2