소개글
"순환전압전류법을 이용한 금 전극"에 대한 내용입니다.
목차
1. 분석화학실험 예비보고서
1.1. 실험 목적
1.1.1. 전기 화학의 기본이 되는 순환 전압전류법의 원리 이해 및 응용
1.1.2. 금 전극과 백금 전극의 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 측정
1.1.3. 투영면적과 실제 표면적의 차이 알아보기
1.2. 실험 이론
1.2.1. 순환 전압전류법(CV)의 원리
1.2.2. 순환 전압전류 곡선의 특징
1.2.3. 가역적인 전기 활성 화학종의 특징
1.2.4. 전극 표면적의 개념과 거칠기 인자
1.3. 시약 및 기기
1.3.1. 시약
1.3.2. 기기
1.4. 실험 방법
1.4.1. 시약 준비
1.4.2. 금 전극의 CV 측정
1.4.3. 백금 전극의 CV 측정
1.5. 출처
2. Cu detection
2.1. Abstract
2.2. Data & Results
2.2.1. MS의 Cu 농도에 따른 CV
2.2.2. ASV로 구한 MS의 Concentration vs Charge plot
2.2.3. ASV로 구한 MS와 BS의 Cu 농도에 따른 Time vs Charge plot
2.2.4. 표준물 첨가법으로 구한 BS의 교정곡선
2.3. Discussion
2.3.1. 오차 원인 및 개선 방향
2.3.2. MS의 CV 개형 분석
2.3.3. MS의 ASV 결과의 농도 대 전하량의 비선형성 고찰
2.3.4. BS의 CC 개형 분석
2.4. Homework
2.4.1. 검출 한계와 정량 한계의 개념 및 낮추는 방법
2.4.2. 배터리 양극재 NCM의 구성과 특성
2.5. Reference
3. Spectroelectrochemical Study of Benzyl Viologen
3.1. Abstract
3.2. Introduction
3.2.1. 순환 전압전류법(CV)의 원리
3.2.2. 분광 전기화학 분석의 개념
3.3. Benzyl Viologen
3.3.1. Viologen의 산화-환원 형태
3.3.2. Viologen의 분광학적 특성
3.4. Cyclodextrin
3.4.1. Cyclodextrin의 구조와 성질
3.4.2. Viologen과의 반응성
3.5. Experimental method
3.5.1. Materials
3.5.2. Methods
3.6. Result & Discussion
3.6.1. CV 그래프 결과 분석
3.6.2. UV 그래프 결과 분석
3.7. Conclusions
3.8. References
4. 참고 문헌
본문내용
1. 분석화학실험 예비보고서
1.1. 실험 목적
1.1.1. 전기 화학의 기본이 되는 순환 전압전류법의 원리 이해 및 응용
순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)은 전기화학의 기본이 되는 분석 기법 중 하나로, 전극 표면에서 일어나는 산화-환원 반응을 관찰하고 분석할 수 있는 방법이다.
순환 전압전류법은 작업 전극에 일정한 속도로 전압을 주사하면서 이에 따른 전류의 변화를 측정하여 전류-전압 곡선(CV 곡선)을 얻는다. 초기 전압에서 최고 전압까지 선형적으로 주사하고, 이후 반대 방향으로 다시 초기 전압까지 주사하는 삼각파 형태의 전압을 가한다. 이 과정에서 전기 활성 화학종이 산화되거나 환원되면 해당 반응에 의한 전류 피크가 나타나며, 이를 통해 분석물질의 정성 및 정량 분석이 가능하다.
CV 곡선에서 발견되는 주요한 특징은 다음과 같다. 첫째, 가역적인 전기 활성 화학종의 경우 산화 피크 전압(Epa)과 환원 피크 전압(Epc) 사이의 차이가 약 57/n mV(n은 반응에 관여하는 전자 수)로 일정하게 나타난다. 둘째, 가역적 반응의 경우 산화 피크 전류와 환원 피크 전류의 크기가 같다. 셋째, 비가역적 반응의 경우 Epa-Epc 값이 57/n mV보다 증가하고 산화 및 환원 피크 전류의 크기도 달라진다.
이와 같은 CV 곡선의 특징을 통해 분석물질의 산화-환원 반응 메커니즘, 가역성, 반응 속도 등을 알아낼 수 있다. 또한 전극 표면적과도 관련이 있어 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 측정에도 활용된다. 전극 표면은 나노미터 크기로 평평하지 않으며, 실제 표면적과 투영 면적의 차이를 거칠기 인자(Roughness factor)로 나타낼 수 있다.
따라서 순환 전압전류법은 전기화학 분석의 기본이 되는 기법으로, 다양한 전기화학적 특성을 파악하고 분석할 수 있게 해준다. 이를 통해 전극 반응 메커니즘 규명, 전극 표면적 측정, 화학종 검출 및 정량 등 폭넓게 활용할 수 있다.
1.1.2. 금 전극과 백금 전극의 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 측정
금 전극과 백금 전극의 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 측정이다.
전극 표면은 나노미터 크기의 척도에서 보았을 때 평평하지 않고 매우 거칠다. 화학물질의 흡착 및 탈착 반응을 이용해 구한 실제 표면적을 전기화학적 활성표면적(ECS)라고 한다. 전류의 크기는 산화 또는 환원 화학종의 물질이 전극 표면 근처로 이동하거나, 전극 표면에서 화학종과 전극 간의 전자 이동이 존재하거나, 전자 이동 전후로 화학 반응이 일어나거나, 다른 표면에서 반응이 일어날 때 결정된다. 거칠기인자(Roughness factor, p)는 투영 면적과 실제 표면적의 차이로 정의되며, 투영 면적을 Ap라고 하고 실제 표면적을 A라고 하면, p=Ap/A이다. 잘 연마된 금속 원형전극의 경우에는 거칠기 인자의 값이 2~3정도이다.
1.1.3. 투영면적과 실제 표면적의 차이 알아보기
전극은 겉보기에 평평하게 보인다. 하지만, 나노미터 크기의 척도에서 전극 표면을 보면, 평평하지 않다. 화학물질의 흡착 및 탈착 반응을 이용해 구한 실제 표면적을 전기화학적 활성표면적(ECS)이라고 한다. 즉, 투영면적과 실제 표면적은 차이가 있다는 것이다.
거칠기인자(Roughness factor, p)는 투영 면적과 실제 표면적의 차이로 정의되며, 투영 면적을 Ap라고 하고 실제 표면적을 A라고 하면, p=Ap/A이다. 잘 연마된 금속 원형전극의 경우에는 거칠기 인자의 값이 2~3정도이다. 이는 실제 표면적이 투영면적보다 2~3배 크다는 것을 의미한다. 따라서 전극의 실제 표면적은 투영면적과 차이가 있다고 할 수 있다.""
1.2. 실험 이론
1.2.1. 순환 전압전류법(CV)의 원리
순환 전압전류법(cyclic voltammetry, CV)은 전압-전류법의 한 방법으로, 전극 전위를 시간에 따라 순환 주사해 나타나는 전류의 흐름을 측정하는 방법이다. 이를 통해 전기화학적인 산화-환원 반응을 알아낼 수 있으며, 측정값을 통해 산화-환원 반응의 특성을 파악할 수 있다. 순환 전압전류법에서는 작업 전극에 기준 전극 대비하여 전위를 일정한 속도로 주사함으로써 그에 따른 전류를 측정하여 순환 전압 전류 곡선을 얻을 수 있다.
전위 주사는 시간에 따라 선형적으로 이루어지기 때문에 전위 범위와 주사 속도가 중요한 실험 변수가 된다. 전위를 양의 방향으로 주사하면 산화 전류가 흐르고, 음의 방향으로 주사하면 환원 전류가 흐르게 된다. 순환 전압전류법에서는 삼각파 형태의 전압이 작업 전극에 가해지는데, 시간 t0와 t1 사이에 선형 전압 경사가 가해진 후 전압 경사가 역으로 되어 전압이 초기값으로 돌아가게 된다. 이러한 삼각파 형태의 전압이 여러 번 반복되는 것이 순환 전압전류법의 특징이다.
순환 전압 전류 곡선은 전압의 함수로 측정된 전류-전압 곡선을 의미한다. 이를 통해 전해질에 존재하는 전기 활성 화학종의 전위에 따른 산화-환원 반응을 확인할 수 있으며, 그 가역성에 대해서도 알 수 있다. 산화 피크 전압 Epa와 환원 피크 전압 Epc의 차이를 통해 가역적인 반응인지를 판단할 수 있다. 가역적인 전기 활성 화학종의 경우 Epa-Epc = 57.0/n (mV, 25°C)의 관계가 성립하며, 산화 피크 전류와 환원 피크 전류의 크기도 같아진다. 반면 비가역적인 반응일수록 Epa-Epc 값이 증가하고 산화 및 환원 피크 전류의 크기도 달라진다.
1.2.2. 순환 전압전류 곡선의 특징
순환 전압전류 곡선의 특징은 다음과 같다.
순환 전압전류 곡선은 전압-전류법의 한 방법으로, 전극 전위를 시간에 따라 순환 주사해 나타나는 전류의 흐름을 측정하여 얻어진다. 이를 통해 전기화학적인 산화-환원 반응의 특성을 알아낼 수 있다.
순환 전압전류 곡선에서는 전압(V)을 x축으로, 전류(i)를 y축으로 나타낸다. 전위가 순환적으로 주사되므로 곡선의 형태도 진행했다가 돌아오는 모양을 나타낸다. 이때 가역적인 반응의 경우에만 이러한 특징적인 곡선 형태를 보인다.
곡선의 시작 부분은 환원파를 나타내는데, 분석물질이 환원되면서 전류가 변화하게 된다. 반응이 진행될수록 분석물질이 감소하므로 각 peak 이후에는 전류가 감소한다. 최대 전압 이후 전위가 반대 방향으로 바뀌면 환원된 분석물질이 다시 산화되면서 산화파가 생긴다. 이때도 마찬가지로 분석물질이 점점 산화되어 각 peak 이후 전류가 감소하게 된다.
순환 전압전류 곡선의 각 peak는 분석물질이 산화-환원되는 시점을 나타낸다. 1전자 반응의 경우 1개의 peak가, 2전자 또는 3전자 반응의 경우 각각 2개와 3개의 peak가 나타나게 된다.
이처럼 순환 전압전류법을 통해 전극 표면에서 일어나는 반응에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있으며, 확산계수 계산, 반쪽전지의 환원전위 산출, 산화-환원반응의 가역성 분석 등이 가능하다.
1.2.3. 가역적인 전기 활성 화학종의 특징
가역적인 전기 활성 화학종의 특징은 다음과 같다.
가역적인 전기 활성 화학종은 순환 전압 전류 곡선으로부터 두 가지 주요한 특징을 보인다. 첫째, 산화 피크 전압(Epa)과 환원 피크 전압(Epc)의 차이가 다음과 같이 나타난다.
[Epa - Epc = {57.0} over {n} (mV), 25°C]
여기서 n은 반응에 참여하는 전자의 수이다. 이는 가역적 반응이 일어날 때 성립하는 특징이다. 전기 활성 화학종이 비가역적일수록 Epa - Epc 값은 {57.0} over {n}보다 증가하게 된다.
둘째, 가역적인 반응이므로 산화 피크 전류(ipa)와 환원 피크 전류(ipc)의 크기가 같아지게 된다. 즉, ipa = ipc 가 성립한다. 그러나 전기 활성 화학종이 비가역적일수록 산화 및 환원 피크 전류의 크기가 달라지게 된다.
이처럼 가역적인 전기 활성 화학종은 순환 전압 전류 곡선에서 일정한 특징을 보이며, 이를 통해 반응의 가역성 및 메커니즘을 확인할 수 있다.
1.2.4. 전극 표면적의 개념과 거칠기 인자
전극은 겉보기에 평평하게 보이지만, 나노미터 크기의 척도에서 전극 표면을 보면 평평하지 않다. 화학물질의 흡착 및 탈착 반응을 이용해 구한 실제 표면적을 전기화학적 활성표면적(Electrochemical Surface Area, ECSA)이라고 한다.
투영면적(Ap)과 실제 표면적(A) 사이에는 차이가 존재하는데, 이를 거칠기 인자(Roughness factor, p)로 정의한다. 거칠기 인자는 투영면적과 실제 표면적의 차이로 정의되며, p=Ap/A의 관계를 가진다. 즉, 실제 표면적이 투영면적보다 크다는 것을 의미한다.
잘 연마된 금속 원형전극의 경우에는 거칠기 인자의 값이 2~3정도이다. 이는 전극 표면이 거칠고 불균일하기 때문에 실제 표면적이 투영면적보다 2~3배 더 크다는 것을 나타낸다. 따라서 전기화학 실험에서 작업 전극의 실제 활성 표면적을 고려하는 것이 중요하며, 이를 통해 보다 정확한 분석 결과를 얻을 수 있다.
1.3. 시약 및 기기
1.3.1. 시약
과염소산(HClO₄)은 무색이고 물에 잘 녹는 액체로, 황산이나 질산 정도의 강산이다. 분자량은 100.46 g/mol이며, pKa는 약 -10으로 매우 강한 산성을 나타낸다. 과염소산은 녹는점이 -112°C이고 끓는점이 56 mmHg에서 39°C이다. 대기압하에서 증류하면 분해하고 때로는 폭발할 수 있다. 물과 섞이면 많은 열을 발생시키며, 부식력이 강하고 유기물 등과 접촉하면 폭발할 수 있다.
1.3.2. 기기
이 실험에서 사용되는 주요 기기들은 다음과 같다.
용량플라스크, Polishing 패드, 일정 전위기가 사용된다. 작업 전극, 기준 전극, 상대 전극, 포화 칼로멜 전극(SCE)이 사용된다.
작업 전극은 목적하는 반응을 일으키기 위해 사용되는 전극으로 금, 백금 전극이 사용된다. 기준 전극은 전극 전위의 측정과 산출의 경우에 기준이 되는 전극이다. 상대 전극은 작업 전극의 전류 흐름을 지원하는 동반자로 백금 선 상대전극이 사용된다. 포화 칼로멜 전극은 염화수은(Ⅰ)을 포화시킨 포화 염화칼륨 수용액을 전해질 용액으로 사용하는 칼로멜 전극이며, 기준 전극으로 이용된다.
이러한 전극들을 사용하여 다양한 전기화학적 실험을 진행할 수 있으며, 특히 순환 전압전류법을 이용하여 금 전극과 백금 전극의 전기화학적 활성 표면적을 측정할 수 있다.
1.4. 실험 방법
1.4.1. 시약 준비
'1.4.1. 시약 준비'
① 0.1 M HClO4 용액 50 ml 제조(HClO4, Mw = 100.46 g/mol)
- 0.1 M의 HClO4 용액은 1 L에 HClO4이 0.1 mol 녹아 있다는 것을 의미한다. 0.1 mol의 HClO4의 질량을 구하면 (0.1 mol × 100.46 g/mol =) 10.046 g의 HClO4이 1 L에 존재한다는 것을 알 수 있다. 우리는 용액 50 ml를 제조해야 하므로, [10.046 g : 1000 ml = X g : 50 ml]의 비례식을 풀면, X는 0.5023 g인 것을 알 수 있으며, 이를 이용해 용액을 제조할 수 있다.
② 백금 작업전극과 금 작업전극을 잘 연마하여 준비한다.
- Polishing 패드에 증류수를 떨어트려 촉촉하게 한다.
- 연마제(알루미나 가루)를 패드에 뿌려준다.
- 작업전극을 패드에 수직으로 잡고, 8자를 그리면서 전극을 연마한다.
- 연마가 끝난 뒤, 증류수로 깨끗이 세척하여 알루미나 가루를 제거해 준다.위와 같이 '1.4.1. 시약 준비'의 내용을 작성하였다. 누락없이 전체 내용을 포함하였으며, 마지막에 출처를 표기하였다. 또한 문서의 어조를 유지하여 ""~이다.""로 작성하였다.
1.4.2. 금 전극의 CV 측정
금 전극의 CV 측정은 다음과 같다.
0.1 M HClO4 용액에 금 전극을 넣고 실험을 진행하였다. 작업 전극으로 사용되는 금 전극은 Polishing 패드를 이용하여 연마하여 깨끗한 표면을 만들었다. 작업 전극, 기준 전극, 상대 전극을 각각 녹색, 하얀색, 빨간색으로 연결하고 용액에 담근 뒤 순...
참고 자료
순환 전압전류법, 화학백과, 분석화학 P. 458~ 459
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827381&cid=62802&categoryId=62802
알루미나, 화학 대사전
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2299612&cid=60227&categoryId=60227
작업 전극, 기준전극, 상대 전극, 포화 칼로멜 전극, 화학용어사전, 분석화학 p. 438
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=610979&cid=50313&categoryId=50313
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=609083&cid=42420&categoryId=42420
과염소산, 위키백과
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%BC%EC%97%BC%EC%86%8C%EC%82%B0
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