
线性扫描伏安法
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2023年3月17日发(作者:偏转线圈)冶金分析,2016,36(6):18 22
Metallurgical Analysis,2016,36(6):18—22
线性扫描伏安法测定电镀铬槽液中铬 和铁(Ⅱ)
乔永莲 ,沙春鹏 ,董宇 ,刘冰
(1.沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁沈阳110850;
2.中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司军事代表室,辽宁沈阳110034)
摘要:以光谱纯石墨电极作为工作电极,采用三电极体系对镀铬槽液进行动电位极化扫描,
利用电活性物质的质量浓度在石墨电极表面的还原峰与氧化峰电流值的变化关系,分别建立
了线性扫描伏安法测定电镀铬槽液中cr +和Fe +的方法。结果表明,在扫描速率为50~6O
mV/s,酸度为pH 2.0,测试温度为20℃时,测定结果最佳。Cr叶在0.43 V(vs.饱和甘汞电
极,SCE)发生还原,Cr叶的质量浓度在2~14 g/L范围内,其质量浓度与还原峰峰电流呈线
性,线性回归方程的相关系数R。一0.999;Fe 在0.52 V(vs.饱和甘汞电极,SCE)发生氧化,
Fe抖的质量浓度在5~15 g/L范围内,其质量浓度与氧化峰峰电流呈线性,线性回归方程的相
关系数R 一0.998。实验方法用于测定实际槽液中Cr +和Fe ,结果的相对标准偏差(RSD,
一10)在1.1 ~1.3 之间。将按照实验方法对实际槽液中Cr。+和Fe。+的测定结果与硫酸
亚铁铵滴定法测定Cr以及原子吸收光谱法测定Fe的结果进行比对,吻合性较好。
关键词:电镀铬槽液;光谱纯石墨电极;动电位极化;铬(Ⅷ;铁(Ⅱ);线性扫描伏安法
文献标志码:A 文章编号:1000—7571(2016)06—0018—05
硬铬镀层由于独特的耐磨性,良好的耐蚀性以
及低廉的价格而广泛应用于汽车制造、航空航天等
工业 】 ]。镀铬液的主要成分为铬酐、三价铬和硫
酸。铬酐是电解液的主要成分,其质量浓度直接影
响到镀液的导电能力、分散能力、镀层覆盖能力、镀
层厚度和质量等,因此在实际操作过程中需要经常
测定和控制铬酐的质量浓度。另外,在电镀过程中
由于镀件腐蚀而导致镀液中常常含有铁等杂质,其
质量浓度较高时,会严重影响镀层的质量_3 ]。因
此,为保证镀层质量,需要经常测定镀铬液中Cr叶
和Fe抖的质量浓度。
目前,最常用的测定Cr。+的方法有硫酸亚铁铵
氧化还原滴定法和碘量法l_5]。其中,硫酸亚铁铵滴
定法中用硫酸亚铁作标准溶液,滴定时溶液的颜色
从不明显的土黄色,经过绿色、蓝色,转变为深红色。
另外,指示剂的颜色变化易受溶液本身颜色、沉淀的
生成等因素的影响,而且操作者对于颜色及沉淀的
感知也有差别。因此硫酸亚铁铵氧化还原滴定法很
容易造成较大的终点误差,不能准确测量槽液中
Cr叶的质量浓度[6。]。而传统的碘量法是在酸性条
件下,使碘化钾与铬酸酐发生氧化还原反应,析出单
质碘,然后用硫代硫酸钠标准溶液滴定。这种方法
操作时间长,步骤较多,亦不利于快速测定。Fe +
分析方法主要有重铬酸钾滴定法以及原子吸收光谱
法_8 ]。两种方法均具有用时较长、操作繁琐,且实
验过程中用到的剧毒重铬酸钾及氯化汞难以处理,
容易产生三废等污染环境。
线性扫描伏安法(又称固体电极极谱法)是一种
重要的电化学分析方法,可用于测定电活性物质。
该方法成本低、灵敏度高、且测量过程不受溶液颜色
及沉淀的干扰,目前已成功应用于冶金和环境分析
中金属离子的快速测定[10 121。本文选择耐蚀性好的
光谱纯石墨电极作为工作电极,石墨板为辅助电极,
饱和甘汞电极为参比电极构成的三电极体系,采用
线性扫描伏安法对镀铬槽液中的cr。+和Fe。+进行
了测定,结果满意。
收稿Et期:2015—08—24
基金项目:国家科技重大专项课题(2013zx04001041)
作者简介:乔永莲(198O),女,博士,工程师,主要研究方向为材料化学与电化学;E-mail:qiaoyonglian80@163.corn
一18—
乔永莲,沙春鹏,董宇,等.线性扫描伏安法测定电镀铬槽液中铬(vD和铁(Ⅱ)
冶金分析,2016,36(6):18—22
1 实验部分
1.1实验原理
线性扫描伏安法的工作原理是在固体电极上施
加一个线性变化的电压,同时采用计算机记录工作
电极上电解产生电流的方法。记录的电流随电极电
位变化的曲线称为线性扫描伏安图,如图1所示。
I|A
~
:
:
E
。
EA
图1线性扫描伏安曲线
Fig.1 Linea ̄sweep voltammetry
当电镀液中的除电活性物质外其他条件一定
时,其峰电位E。与被测物的性质及支持电解质有
关,而其峰电流ip则与被测物质的质量浓度呈线性
关系l_1 ,即:
i。一(2.99×10 )m An(a ) / D /0V /f0 (1)
式中:A为研究电极的面积,cm ;D为电活性物质
的扩散系数,cm。/s; 为电位扫描速率,V/s; 为电
极反应电子数;p为电: 性物质的质量浓度,g/L;
为传递系数; 为控制步骤的电子转移个数。
在本方法中,A、D、V、 都为常数,所以反应的
峰电流 与镀液中的活性离子质量浓度ID呈线性。
测定不同质量浓度的Cr +和Fe。+的极化曲线峰电
流i。,并以电活性物质的质量浓度为横坐标,反应峰
电流为纵坐标,绘制校准曲线。然后测定未知槽液
的线性扫描伏安曲线,读出i。 ,最后与校准曲线对
比即可得出待测溶液中电活性物质的质量浓度P 。
1.2仪器及测量条件
本文采用PARS'I、AT 2273电化学工作站(美
国阿美特克公司)进行电化学测量,电解池采用传统
的三电极体系:使用面积相对较大的石墨板作为对
电极;饱和甘汞电极(Saturated calomel electrode,
SCE)为参比电极;光谱纯石墨电极作为工作电
极l_1 。采用线性扫描伏安法对镀铬槽液中的Cr 十
和Fe抖进行测定。
光谱纯工作电极的制作是将≠6 mm的光谱纯
石墨棒嵌入聚酰胺树脂和环氧树脂(质量比为32:
Ioo)调制的粘结剂中,一端用铜导线引出,固化后经
300目、500目、1 000目、2 000目、3 000目砂纸打
磨,然后进行抛光处理,最后在乙醇溶液中进行超声
波清洗5 min,除去打磨及抛光过程中残留在电极
表面的碳颗粒及其杂质,制得的石墨电极如图2
所示。
图2光谱纯石墨电极
Fig.2 A spectroscopically pure graphite electrode
1.3主要试剂
硫酸(纯度为98 )、CrO3、Cr203、Fe2(SO4)3、
FeSO4·7H2O、(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O(国药集
团化学试剂有限公司):分析纯;工作电极为自制光
谱纯石墨电极(中钢集团上海新型石墨材料有限公
司);实验用水均为去离子水。
1.4标准溶液系列的配制
Cr +标准储备溶液:2.00 g/L,准确称取3.846
g预先烘干的铬酐(CrO。)置于1 L烧杯中,加500
mL水,待完全溶解后将其转移至1 L容量瓶中,定
容,摇匀;按此方法依次配制质量浓度为4.O0、
5.O0、5.50、6.25、7.OO、10.O0、l4.O0 g/L的Cr叶标
准工作溶液。
Fe。+标准储备溶液:5.O0 g/L,准确称取9.145
g FeSO ·7H2O置于1 L烧杯中,加500 mL水,待
完全溶解后将其转移至1 L容量瓶中,定容,摇匀;
按此方法依次配制7.5O、10.OO、12.5O、15.O0 g/L
Fe +标准工作溶液。因Fe +容易被氧化为Fe抖,不
易于空气中久置,故Fe +标准溶液均应在实验前
现配。
1.5实验方法
将上述标准系列溶液依次倒入电解槽中,用
HzSO 调整pH 2.0,水浴2O℃,放人三电极,静置
5 min,用电化学工作站测定动电位极化曲线。对于
Cr。+测定,设定电势扫描范围为0.2~1.0 V(VS.
SCE),反向扫描,扫描速率为60 mV/s;对于Fe抖,
一1 9—
QIAO Yong-lian,SHA Chun-peng,DONG Yu,et a1.Determination of chromium(VD and iron(1I)in
eletrodeposited chromium electrolyte by linear sweep voltammetry.Metallurgical Analysis,2016,36(6):18—22
设定电势扫描范围为0.2~0.8 V(vs.SCE),正向
扫描,扫描速率为50 mV/s。测定Cr +的还原峰和
Fe +的氧化峰峰电流 和i 。分别以Cr +和Fe抖
的质量浓度为横坐标,以其对应的反应峰电流 和
i 为纵坐标,绘制校准曲线。
2结果与讨论
2.1扫描速率
一般来说,在动电位极化曲线的定量分析和计
算中,扫描速率是一个很重要的实验参数。在较低
的扫描速率下,溶液电阻压降对于极化曲线的影响
较小,但随着扫描速率的增加,曲线受到越来越严重
的歪曲。因此,对于不同的体系,需要测定不同扫描
速率下的动电位极化曲线,从而选择合适的扫描速
率。在扫描电势为0.2~1.0 V(vs.SCE)范围内,
水浴2O℃,按扫描速率100、80、60、40、20、10 mV/s
对4.00 g/L Cr +标准工作溶液进行动电位极化曲
线扫描,见图3。由图3可见:随着扫描速率的增
加,Cr。 还原过程的极化电流逐渐增大。考虑到扫
速过低,峰电流小,且峰电流值容易受到背景电流的
影响,因此本方法选择测定Cr。+的扫描速率为60
mV/s。
图3不同扫描速率下Cr6 在石墨电极上的
动电位极化曲线
Fig.3 Potentiodynamic polarization curves of Cr6
on graphite electrode with different scan rate
在扫描电势为0.2~O.8 V(vs.SCE)范围内,
水浴2O℃,按扫描速率100、75、50、25、10 mV/s对
5.O0 g/L Fe +标准溶液进行动电位极化曲线扫描,
见图4。由图4可见:随着扫描速率的增加,Fe +氧
化过程的极化电流逐渐增加。考虑到背景电流的影
响,本方法选择测定Fe。+的扫描速率为50 mV/s。
2.2酸度
酸度对Cr。 的测定基本没有影响,但对于Fe抖
2O一
图4不同扫描速率下Fe2 在石墨电极上的
动电位极化曲线
Fig.4 Potentiodynamic polarization curves of Fe2
Oil graphite electrode for different scan rate
的测定有着显著的影响。分析原因主要是因为酸度
较大时,体系中的Fe抖和Fe 。_容易发生水解,影响
测定结果。为此,实验将酸度设定在pH 1.0~2.5
之问进行线性扫描伏安测定。
试验表明,随着酸度的增加,Fe。+的氧化峰峰
电流逐渐减小;但pH 1.0~2.5之间时,氧化峰电
流值基本保持不变。基于测量方法的成本考虑,选
择溶液酸度在pH 2.0~2.5,并分别在pH 2.0和
pH 2.5时做线性扫描伏安曲线。结果表明,pH
2.0时氧化峰峰电流较大,峰型较好。因此,测定溶
液中Fe。+时,控制酸度为pH 2.0。
2.3温度
本实验采用线性扫描伏安法对水浴温度为
10 ̄50℃范围内的镀铬槽液中Cr卧和Fe +进行测
定。实验结果表明,Cr。+还原峰和Fe +氧化峰峰电
流值均随着温度的升高而增大,即待测溶液温度较
高时,测得Cr叶和Fe +的质量浓度均高于实际浓
度,反之亦然,这一现象可由阿累尼乌斯方程解释。
阿累尼乌斯方程为Ink===ink。一E /RT(k为反应速
率常数,rain;忌。为频率因子常数,min;E 为反应活
化能,J/tool;R为气体常数,8.314 J/(mol·K);T
为绝对温度,K)。由此公式可知:温度升高,反应速
率常数增大,反应产生的电流增大,这与实验现象一
致。因此,本方法选择测定Cr +和Fe +的电解液温
度均保持在20℃。
2.4校准曲线和检出限
选定仪器的最佳工作条件,测定标准溶液系列
中不同质量浓度Cr +在石墨电极上的动电位极化
曲线。以Cr。+的质量浓度为横坐标,其对应的还原
峰电流为纵坐标绘制校准曲线。溶液中Cr 的质
乔永莲,沙春鹏,董宇,等.线性扫描伏安法测定电镀铬槽液中铬(Ⅷ和铁a口)
冶金分析,2016,36(6):18—22
量浓度在2~14 g/L范围内与其还原峰电流具有良
好的线性关系。校准曲线的线性回归方程为i。一
8.067X10 +0.001 12 P,相关系数R2—0.999。在同
样条件下对空白溶液连续测定11次,以3倍标准偏差
除以校准曲线斜率得到Cr6.的检出限为0.12 g/L。
选定仪器的最佳 [作条件,测定标准溶液系列
中不同质量浓度Fe。+在石墨电极上的动电位极化
曲线。以Fe。+的质量浓度为横坐标,其对应的氧化
峰电流为纵坐标绘制校准曲线。溶液中Fe抖的质
量浓度在5~15 g/L范围内与其氧化峰电流呈线
性。校准曲线的线性回归方程为i。一5.740 6×
10叫+0.001 32 p,相关系数R 一0.998。在同样条
件下对空白溶液连续测定11次,以3倍标准偏差除
以校准曲线斜率得到Fe +的检出限为0.43 g/L。
3样品分析
3.1精密度试验
以实际镀铬槽液为测试对象,用移液管移取25
mL镀铬槽液,置于500 mL容量瓶中,用水稀释至
500 mL,按照实验方法测定Cr叶质量浓度;直接以
镀铬槽液为测试对象,按照本方法直接测定Fe 质
量浓度,结果见表1。
表1镀铬槽液中C 和Fd 的测定结果(,l=10)
Table 1 Determination results of Cr6 and Fe2 in
chromium electrolyte
3.2比对试验
以实际镀铬槽液为测试对象,将其稀释20倍,
按照本方法测定Cr +的质量浓度,并与硫酸亚铁铵
滴定法的测定结果进行比较;直接以镀铬槽液为测
试对象,按照本方法直接测定Fe。+的质量浓度,与
原子吸收光谱法的测定结果进行比较,结果见表2。
表2镀铬槽液中C 和Fe2 的测定结果
Table 2 Determination results of C一+and Fe2+in
chromium electrolyte g/L
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Determination of chromium(VD and iron(I[)in eletrodep0sited
chromium electrolyte by linear sweep voltammetry
QIAO Yong—lian 。SHA Chun—peng ,DONG Yu。,LIU Bing
(1.AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110850,China;
2.PLA Military Representative Office in Shenyang Aircraft Industries(Group)Co.,Ltd.,Shenyang 110034,China)
Abstract:The potentiodynamic polarization scanning of eletrodeposited chromium electrolyte was conduc—
ted with three-electrode system using spectroscopically pure graphite electrode as working electrode. Based
on the variation relationship between reducing peak current and oxidizing peak current of mass concentra—
tion of electro-active materials on graphite electrode surface,the determination method of Cr +and Fe +in
eletrodeposited chromium electrolyte by linear sweep voltammetry was established.The results showed
that the optimal experimental conditions were as follows:the scanning rate was 50—60 mV/s,the pH was
2.0,and the testing temperature was 2O℃.Cr叶was reduced at 0.43 V(vs.saturated calomel electrode,
SCE).The mass concentration of Cr。+in range of 2—14 g/L showed 1inearity to the reducing peak current,
and the correlation coefficient of linear regression equation was R 一0.999.Fe was oxidized at 0.52 V
(vs.SCE).The mass concentration of Fe +in range of 5—1 5 g/L showed linearity to the oxidizing peak
current,and the correlation coefficient of linear regression equation was R 一0.998.The proposed method
was applied to the determination of Cr +and Fe。+in actual chromium electrolyte.The relative standard de—
viations(RSD, 一10)were between 1.1 and 1.3 .The determination results were compared with
those obtained by ammonium ferrous sulfate titration for Cr and atomic absorption spectrometry for F、e.
The consistency was good.
Key words:eletrodeposited chromium electrolyte;spectroscopically pure graphite electrode;potentiody—
namic polarization;chromium(VD;iron([[);linear sweep voltammetry
一22—