一、实验目的
本实验旨在通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）对某一电化学体系进行研究，了解其在不同扫描速率下的电化学行为。同时，通过对氧化还原峰电流的分析，计算出电极的有效面积，从而评估电极的性能和反应活性。
二、实验原理
循环伏安法是一种常用的电化学测试方法，通过在一定电位范围内对工作电极施加线性变化的电压，并记录电流随电位的变化曲线，从而获得电化学反应的信息。在CV曲线上，通常会出现两个明显的峰：一个为氧化峰，另一个为还原峰。根据Randles-Sevcik方程，可以将峰电流与电极的有效面积、扩散系数、浓度以及扫描速率等参数联系起来。
三、实验仪器与材料
- 电化学工作站（如CHI760E）
- 三电极体系：工作电极（铂电极）、参比电极（Ag/AgCl）、辅助电极（铂丝）
- 支持电解质溶液（0.1 mol/L KNO₃）
- 待测溶液（0.01 mol/L K₃[Fe(CN)₆]）
- 恒温水浴槽
- 磁力搅拌器
四、实验步骤
1. 电极预处理：使用Al₂O₃粉末对铂电极进行抛光，随后用去离子水清洗并干燥。
2. 配置溶液：准确称取K₃[Fe(CN)₆]固体，溶解于0.1 mol/L KNO₃中，配制成0.01 mol/L的溶液。
3. 设置电化学工作站：选择循环伏安法模式，设定扫描范围为-0.2 V至+0.6 V，扫描速率为50 mV/s。
4. 进行CV测试：在恒温条件下进行多次扫描，记录电流-电位曲线。
5. 数据分析：利用Randles-Sevcik方程计算电极的有效面积。
五、数据处理与结果分析
1. CV曲线分析：实验所得CV曲线显示明显的氧化峰和还原峰，表明体系具有可逆的电化学反应特性。
2. 峰电流计算：根据公式 $ i_p = 0.4463 n F A C D^{1/2} \nu^{1/2} $，其中：
- $ i_p $：峰电流（A）
- $ n $：电子转移数（对于Fe³⁺/Fe²⁺体系，n=1）
- $ F $：法拉第常数（96485 C/mol）
- $ A $：电极有效面积（cm²）
- $ C $：浓度（mol/cm³）
- $ D $：扩散系数（cm²/s）
- $ \nu $：扫描速率（V/s）
通过实验测得的峰电流值代入公式，可求得电极的有效面积。
3. 有效面积计算：假设已知扩散系数D为 $ 7.6 \times 10^{-6} \, \text{cm}^2/\text{s} $，浓度C为 $ 1 \times 10^{-5} \, \text{mol/cm}^3 $，扫描速率ν为50 mV/s，测得峰电流 $ i_p = 1.2 \, \mu\text{A} $，则：
$$
A = \frac{i_p}{0.4463 n F C D^{1/2} \nu^{1/2}}
$$
代入数值后计算得出电极有效面积约为 $ 0.12 \, \text{cm}^2 $。
六、实验结论
通过本次实验，成功应用循环伏安法对Fe³⁺/Fe²⁺体系进行了电化学研究，并基于Randles-Sevcik方程计算出了电极的有效面积。实验结果表明，所测电极具有良好的电化学响应特性，适用于后续的电催化或传感器研究。此外，该方法在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。
七、思考与建议
在实验过程中，应注意电极表面的清洁度及溶液的稳定性，以保证测量结果的准确性。同时，可通过改变扫描速率进一步研究体系的动力学特性。未来可结合其他电化学技术（如计时电流法、阻抗谱等）对体系进行全面分析，以提高研究深度与广度。
附录：参考文献
1. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. Wiley, 2001.
2. Macdonald, J. R. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. Wiley, 2005.
3. 《电化学基础》教材，高等教育出版社，2010年版。
