本發(fā)明涉及電化學測試領(lǐng)域，特別是涉及一種三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)和測試方法。

背景技術(shù)：

電化學測試體系中不僅需要研究整個電極表面整體的信息，逐漸擴展到電極表面局部電化學信息的表征。例如金屬局部腐蝕與界面進行的電化學過程休戚相關(guān)，其界面電位、電流密度、阻抗等局部的電化學參數(shù)分布特征對于研究局部腐蝕的分布特性和作用機制顯得至關(guān)重要。經(jīng)典的腐蝕電化學方法如循環(huán)伏安法、極化曲線、電化學交流阻抗譜等只能獲取整個樣品表面的電化學信息，給出的是統(tǒng)計平均的數(shù)據(jù)，難以對局部區(qū)域的電化學信號進行區(qū)分。

各種微區(qū)掃描探針電化學測試技術(shù)的發(fā)展為局部電化學信息的獲取提供了有力的技術(shù)支撐。水相環(huán)境介質(zhì)中，掃描振動電極(svet)能測試溶液中金屬材料表面電流密度分布；掃描電化學顯微鏡(secm)能用來評價局部電化學氧化還原反應活性；局部電化學交流阻抗譜(leis)不僅能夠研究具體某一點的全頻率電化學阻抗譜，還能在固定頻率下進行掃描測試研究電極表面阻抗分布特征。薄液膜電解液體系中，可采用掃描開爾文探針方法(skp)進行不接觸測試電極電位分布。以上測試方法的應用條件和獲取的信息存在一定的局限性，只能獲取電化學測試體系電位、電流、阻抗等某一方面的信息，而且部分為間接信息，例如，svet和leis是基于界面陰陽極電化學反應導致電解質(zhì)電場梯度進行的測試，分別獲取的電流密度分布和微區(qū)阻抗并非基底材料的反應信息，skp是基于電極表面功函進行的測試，直接測得的是開爾文電位，也不同于電極/溶液界面的電位。

然而，在更為復雜的氣、液、固多相不均勻的測試體系中，由于含有固態(tài)成分，而無法使用svet、leis等掃描移動微探針類型的微區(qū)電化學技術(shù)。常規(guī)陣列電極技術(shù)(ea)只能獲得腐蝕電位和電偶電流分布信息，無法獲得局部的電流、阻抗等數(shù)據(jù)，測試信息不夠全面、豐富。而且在電阻率相對較大和電解液分散的體系中，陣列電極測得的電位精度還受到腐蝕介質(zhì)歐姆電位降和電解液分散性的影響。因此，需要發(fā)展面向非均相體系綜合電化學分布信息測試技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)，采用本系統(tǒng)更加便于全面獲取電極耦合/非耦合狀態(tài)下電偶電流、腐蝕電位、腐蝕電流密度、電化學阻抗譜等界面電化學信息。同時，本發(fā)明還提供了該系統(tǒng)的測試方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)，包括依次電連接的同心圓三電極陣列、高速切換開關(guān)和電化學工作站，所述同心圓三電極陣列包括若干同心圓三電極單元，相鄰的同心圓三電極單元之間通過絕緣材料隔離；所述同心圓三電極單元包括環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極，所述環(huán)狀輔助電極和固態(tài)參比電極均成環(huán)形，絲狀工作電極位于固態(tài)參比電極內(nèi)，絲狀工作電極和固態(tài)參比電極之間通過絕緣材料隔離；固態(tài)參比電極位于環(huán)狀輔助電極內(nèi)，固態(tài)參比電極和環(huán)狀輔助電極之間通過絕緣材料隔離；環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和高速切換開關(guān)相連。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)中，所述環(huán)狀輔助電極的制作材料選用鉑片、鍍鉑黑的鉑片、石墨或哈氏合金；所述固態(tài)參比電極是固態(tài)ag參比電極、agcl參比電極或鋅參比電極，此三種電極為固態(tài)參比電極，在常規(guī)自然環(huán)境腐蝕體系中電位較為穩(wěn)定，經(jīng)濟有效。

以上所述三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法包括：

首先通過控制高速切換開關(guān)使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和電化學工作站相連；

然后進行開路電位測試，所述開路電位測試的方法包括：測試絲狀工作電極與固態(tài)參比電極之間的電位差；

通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：開路電位，極化曲線，電化學阻抗譜，循環(huán)伏安，電偶電流，充電曲線等測試方法獲得的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)腐蝕電化學原理進行數(shù)據(jù)分析，獲得相關(guān)的電位分布、電流密度分布、電化學阻抗、電容、腐蝕速度等熱力學及動力學參數(shù)。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法中，所述測試方法還包括：

首先通過控制高速切換開關(guān)使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和電化學工作站相連；

然后進行循環(huán)伏安曲線測試；

通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：具體的數(shù)據(jù)解析方法為根據(jù)循環(huán)伏安曲線進行分析，獲得其電極反應、反應可逆性、反應電位窗口、電流峰值等相關(guān)信息。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法中，所述測試方法還包括：

首先通過控制高速切換開關(guān)使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和電化學工作站相連；

然后進行極化曲線測試；

通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：極化曲線的數(shù)據(jù)解析方法包括線性擬合、整體曲線擬合、tafel外推等方法。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法中，所述測試方法還包括：

首先通過控制高速切換開關(guān)使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和電化學工作站相連；

然后進行電化學阻抗譜測試；

通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：電化學阻抗譜的數(shù)據(jù)解析方法包括動力學分析和等效電路模擬兩種方法。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法中，所述測試方法還包括：

測試每個絲狀工作電極與環(huán)狀輔助電極和固態(tài)參比電極之間電偶電流分布信息：

首先通過控制高速切換開關(guān)使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極、固態(tài)參比電極和絲狀工作電極均和電化學工作站相連；

通過高速切換開關(guān)將除待測電極之外的所有電極短路連接成一個整體，通過電化學工作站(8)逐個測試待測電極和其他電極之間的電流。

前述的三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法中，所述測試方法還包括：

測試單電極陽極反應電流密度：基于耦合狀態(tài)下測得的單個電極的電偶電流，以及非耦合狀態(tài)下測得的自腐蝕電流密度，然后進行代數(shù)相加。耦合狀態(tài)指的是將三電極陣列中的各個工作電極導線短路連接在一起，形成各個電極反應之間的耦合狀態(tài)。非耦合狀態(tài)指的是組成陣列的每組三電極獨立工作狀態(tài)，未將各組陣列中的工作電極短路連接在一起。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)實現(xiàn)陣列電極和三電極體系的有機結(jié)合，便于全面獲取電極耦合/非耦合狀態(tài)下電偶電流、腐蝕電位、腐蝕電流密度、電化學阻抗譜等界面電化學信息，測試信息更加全面、豐富。而常規(guī)陣列電極只能獲得電位和電偶電流分布信息，無法獲得局部的電流、阻抗等數(shù)據(jù)。

(2)本發(fā)明提供的近距同心圓三電極陣列，實現(xiàn)了將輔助電極和參比電極2圍繞工作電極近距離環(huán)狀分布，測試時電力線分布更為均勻；而且在電阻率相對較大和電解液分散的體系中，由于參比電極和工作電極距離較近，電位測試精度較高，電流測試不易出現(xiàn)斷路。

這種局部電化學測試方法具有一定的普適性，可以推廣到大氣腐蝕、土壤腐蝕、沉積物下腐蝕、涂層下腐蝕等多種非均相介質(zhì)腐蝕電化學研究體系，或應用于電偶腐蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕等典型局部腐蝕類型研究。

附圖說明

圖1為同心圓三電極單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為同心圓三電極陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為基于同心圓型三電極陣列的局部電化學信息測試系統(tǒng)示意圖；

附圖標記：1-環(huán)狀輔助電極，2-固態(tài)參比電極，3-絲狀工作電極，4-絕緣材料，5-同心圓三電極陣列，6-導線，7-高速切換開關(guān)，8-電化學工作站。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例1：如圖1、圖2和圖3所示，一種三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)，包括依次通過導線6電連接的同心圓三電極陣列5、高速切換開關(guān)7和電化學工作站8，所述同心圓三電極陣列5包括若干同心圓三電極單元，相鄰的同心圓三電極單元之間通過絕緣材料4隔離；所述同心圓三電極單元包括環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3，所述環(huán)狀輔助電極1和固態(tài)參比電極2均成環(huán)形，絲狀工作電極3位于固態(tài)參比電極2內(nèi)，絲狀工作電極3和固態(tài)參比電極2之間通過絕緣材料4隔離；固態(tài)參比電極2位于環(huán)狀輔助電極1內(nèi)，固態(tài)參比電極2和環(huán)狀輔助電極1之間通過絕緣材料4隔離；環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和高速切換開關(guān)7相連。所述絕緣材料4選用絕緣環(huán)氧樹脂。所述環(huán)狀輔助電極的制作材料選用鉑片、鍍鉑黑的鉑片、石墨或哈氏合金。所述固態(tài)參比電極2是固態(tài)ag參比電極、agcl參比電極或鋅參比電極。

以上實施例所述三電極陣列局部電化學信息測試系統(tǒng)的測試方法，所述測試方法包括：

首先通過控制高速切換開關(guān)7使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極3處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和電化學工作站8相連；然后進行開路電位測試，所述開路電位測試的方法包括：測試絲狀工作電極與固態(tài)參比電極之間的電位差；通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極3的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極3的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：開路電位，極化曲線，電化學阻抗譜，循環(huán)伏安，電偶電流，充電曲線等測試方法獲得的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)腐蝕電化學原理進行數(shù)據(jù)分析，獲得相關(guān)的電位分布、電流密度分布、電化學阻抗、電容、腐蝕速度等熱力學及動力學參數(shù)。

所述測試方法還包括：首先通過控制高速切換開關(guān)7使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極3處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和電化學工作站8相連；然后進行循環(huán)伏安曲線測試；通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極3的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極3的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：根據(jù)循環(huán)伏安曲線進行分析，獲得其電極反應、反應可逆性、反應電位窗口、電流峰值等相關(guān)信息。

所述測試方法還包括：首先通過控制高速切換開關(guān)7使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極3處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和電化學工作站8相連；然后進行極化曲線測試；通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極3的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極3的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：極化曲線的數(shù)據(jù)解析方法包括線性擬合、整體曲線擬合、tafel外推等方法。

所述測試方法還包括：首先通過控制高速切換開關(guān)7使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極3處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和電化學工作站8相連；然后進行電化學阻抗譜測試；通過開路電位測試獲得單個絲狀工作電極3的電化學行為，通過對單個絲狀工作電極3的電化學行為進行數(shù)據(jù)解析獲得單電極電化學、熱力學及動力學信息；所述數(shù)據(jù)解析方法包括：電化學阻抗譜的數(shù)據(jù)解析方法包括動力學分析和等效電路模擬兩種方法。

所述測試方法還包括：測試每個絲狀工作電極3與環(huán)狀輔助電極1和固態(tài)參比電極2之間電偶電流分布信息：首先通過控制高速切換開關(guān)7使所述若干同心圓三電極單元的絲狀工作電極3處于非耦合狀態(tài)，使環(huán)狀輔助電極1、固態(tài)參比電極2和絲狀工作電極3均和電化學工作站8相連；通過高速切換開關(guān)7將除待測電極之外的所有電極短路連接成一個整體，通過電化學工作站8逐個測試待測電極和其他電極之間的電流。

所述測試方法還包括：測試單電極陽極反應電流密度：基于耦合狀態(tài)下測得的單個電極的電偶電流，以及非耦合狀態(tài)下測得的自腐蝕電流密度，然后進行代數(shù)相加。