Cyclic voltammetry(CV) principle - 순환 전압전류법 원리

 

 

 앞서 전기변색 파트에서 종종 등장했던 'Cyclic voltammetry(CV) - 순환 전압전류법' 원리에 대해 좀 더 자세히 살펴보고자 한다. 

 

 'Cyclic voltammetry(CV) - 순환 전압전류법'은 전기화학에서 기초적이자 중요한 실험이다. CV를 측정함으로써 셀 내부의 산화, 환원 반응과 가역성, 지속성을 살펴봄으로써, 안정성과 성능 및 효율을 평가할 수 있다. 

 

 

 

 CV는 위 사진과 같은 삼각파 형태의 포텐셜을 걸어주고, 이에 따른 전류의 변화를 보는 실험이다.

 

✅CV는 삼전극(작업, 상대, 기준 전극)을 이용한다. 전기화학 실험에선 한 전극의 전위는 전위가 일정한 기준 전극에 대해 상대적인 값을 측정하기 때문이다. 참고로 pH 측정과 같은 전위차 측정에선 cell을 통과하는 전류가 없기 때문에 2개면 충분하다.

 

✅작업 전극의 전위는 기준 전극에 대해 상대적으로 조절되며, 이때 가한 전위로 인해 작업 전극과 상대 전극 사이에 전류가 흐르게 된다.

 

 

 CV가 진행되는 순서는 아래와 같다.

 

1) 하단의 첫 번째 사진과 같은 삼각파 형태의 전압을 작업 전극에 걸어준다.

 

2) 작업 전극과 상대 전극 사이에 전류가 흐르게 되는데, 첫번째 오르막 형태 구간은 전압을 가했을 때 음전위가 강해지며, 환원과 함께 전류의 양은 증가한다.(환원 전류)

 

 

 

3) 전극의 음전위가 강해지나 확산에 의해 전극에 도달하는 양이 줄어들기 시작한다.

 

 

 

4) 양전위가 강해지면서 물질이 산화되며, 전류는 - 방향(산화 전류)으로 흐른다.

 

source : LG디스플레이

 

5) 환원되어 생긴 생성물이 소진되면서 전류값이 감소한다. 이와 같은 순서가 계속해서 반복되는 것이 순환 전압 전류법이다.

 

 

 에너지밴드갭 구하기. 'HOMO', 'LUMO' 

 

 CV를 많이 돌렸을 때 처음과 같은 가역성을 보인다면, 이는 그만큼 안정성이 좋다는 것은 반증하게 된다. 이외 에너지 밴드갭을 구해 효율성을 구할 수 있다. Eg를 구하기 위해선 'HOMO'와 'LUMO'를 먼저 구해야 한다.

 

✅'HOMO' - 전자가 결합에 참여할 수 있는 가장 높은 에너지 오비탈 

 

✅'LUMO' - 전자 비결합 영역에서 가장 에너지가 낮을 때의 오비탈

 

 여기서 Vsolvent는 용매의 에너지 준위를, E_onset ox/red는 각 산화와 환원이 시작되는 지점, E1/2는 용매의 반파 준위를 말한다. 반파 전위는 산화와 환원 피크 전위의 평균에 해당한다.

 

source : 네이버

 

 

 그리고 LUMO와 HOMO의 차이를 에너지 밴드갭이라고 부른다. 산화와 환원점을 정확하게 잡는다면, 이론값과 실험값은 거의 유사하게 나온다.

 

 반도체를 포함한 전기변색에서도 에너지 밴드갭이 작으면, 적은 전압으로도 기기를 작동시킬 수 있겠으나 너무 작으면 제어가 힘들어진다. 반면, 밴드갭이 너무 클 경우 마찬가지로 기기를 켜는데 에너지가 많이 든다.

 

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 *약간의 내용을 추가한 포스팅은 아래 게시물 참고

• 2022.04.06 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - Cyclic voltammetry(CV) - 순환 전압전류법 원리 (2)

Cyclic voltammetry(CV) - 순환 전압전류법 원리 (2)

 

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