W/WO3 pH电极的制备及响应机制研究

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金属/金属氧化物pH电极有响应时间短、可微型化、机械强度高等特点,可应用于玻璃pH电极不能适用的环境,如高温和强搅拌体系,还可以满足生化、医药等领域的要求,并且在食品工业中,还适用于含F-溶液体系,是玻璃pH电极的一个重要替代体系。Sb,Pb氧化物电极是最早商品化的的金属/金属氧化物pH电极,然而由于其pH测量范围窄,E-pH线性关系不好,没有广泛应用。因此,研究开发性能优良的金属/金属氧化物pH电极,具有实际意义。本研究以钨棒(99.95wt%)为工作电极,与循环伏安法、控制电位法、化学氧化法、热氧化法比较后,采用恒电压法制备W/WO3电极。电极在pH4-12范围内灵敏度为50±3mV/pH,响应时间在3min内,精度0.2pH。K+、Cl-、I-离子对电极的响应行为影响不明显,适用于含F-体系,NO3-对电极响应影响较大。电极在干燥空气中存放230天后灵敏度仍可达到46±2mV/pH,优于在纯水和pH2.00缓冲液中保存的电极。在pH0.5-13.5范围内,分成5个区间研究电极的pH响应性能,并用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析了膜层的化学组成和结构,结合电化学阻抗谱(EIS)等电化学方法对膜层的响应机制进行了研究。研究结果表明,在区间A(pH<1),羟基化效应导致超能斯特响应的发生,电极响应灵敏度为69±2mV/pH;在区间B(pH2-4,零电荷点附近)膜层致密,不利于H+和电子的传递,使得电极响应性能较差,电极响应灵敏度为30±10mV/pH;在区间C(pH4-12),随着pH值升高,电极反应相对单一,膜层处于相对稳定的状态,是W/WO3电极的最佳使用范围,响应灵敏度为50±3mV/pH;在区间D(pH12-13),膜层与OH-发生反应,逐渐被溶解,暴露出的金属基体继而与溶液作用,电极响应灵敏度为20±3mV/pH;当OH-浓度进一步增大,在区间E(pH>13)时,金属基体与溶液的反应加剧,生成钨青铜,产生超能斯特响应,电极响应灵敏度为102±3mV/pH。
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