关于扩散超电势介绍

[拼音]：kuosan chaodianshi

[外文]：diffusion overpotential

由于电活性物种的扩散速度缓慢，使电极附近溶液的浓度与溶液本体的浓度不同而引起的超电势。物质在液相中的传递有三种形式：

（1）迁移，这是电场引起的带电物种的传递过程，通过在电解液中加入过量的非电极活性的“无关电解质”，电极活性物质的迁移可以得到抑制；

（2）对流，这是溶液本身的流动引起的物质传递过程， 对流过程可利用转盘电极精确控制（见稳态技术）；

（3）扩散，这是溶液中存在浓差而引起的物质传递过程，是这里要讨论的主题。

对于电极反应，现考虑Ag+的电沉积过程：

Ag++e─→Ag (1)

它的迁越步骤交换速率很快，即交换电流密度I0很大，故要求的推动力很小，因此迁越超电势ηCT→0。在过量的“无关电解质”存在的条件下，电极的电流I完全靠Ag+的扩散步骤来支持（图1），

即决定于Ag+到达金属相表面的扩散通量ФAg+。

根据法拉第电解定律和斐克第一定律(见扩散)，可得下式：

(2)

式(2)的负号表示还原电流有负值，D为扩散系数，F为法拉第常数。为了找出界面的浓度梯度дc/дx，W.H.能斯脱于1904年提出了一个近似的假设，即在电极的液相界面上存在着有效扩散层，它的厚度为δ(约10～100微米)。在该层的内部，浓度梯度是线性的（图 2）；

在该层之外，Ag+的浓度与溶液本体浓度cb一样。能斯脱的上述模型虽与实际不尽相符，但使问题的处理大为简化，且所得结果与比较严格的处理相差不大。这样，式(2)可简化为：

(3)

式中的cS表示Ag+在金属表面的浓度。

当上述电极极化增大时，电流增加使金属表面Ag+的沉积加速，最终 cS将降到零，产生极限电流。此时有效扩散层中的浓度梯度达到最大，ФAg+已不再能增加，使电流达到极限值I1(图3)。

则得：

I1＝－FDcb/δ (4)

由于Ag+电沉积的迁越过程中I0很大，可认为是可逆的，故可以利用能斯脱平衡电势公式来推导扩散步骤的超电势ηd：

(5)

此式是上述电积过程的扩散超电势的表达式，其特征是存在着极限电流I1。极限电流限制了实际的生产过程，但通过搅拌可以减小有效扩散层厚度δ，增加I1以强化生产过程。