金属电极的种类及用途

金属电极是电化学、电分析化学、材料科学和工业应用中最核心的部件之一。其种类和用途非常广泛，主要根据金属的化学性质、电化学稳定性和催化活性进行选择。

以下是金属电极的主要种类、特性及其典型用途的详细梳理。

一、 分类概述

金属电极可以从不同角度分类：

1.按电化学活性：惰性电极 vs. 活性电极。

2.按材质纯度/结构：块体电极、薄膜电极、网状电极、纳米材料修饰电极等。

3.按用途：工作电极、对电极、参比电极。

以下主要按材质和特性进行介绍。

二、 主要种类、特性及用途

（一）贵金属电极（惰性电极）

这类金属化学性质稳定，在很宽的电位范围内不参与电极反应，主要作为电子导体和反应基底。

1.铂电极

（1）特性：电化学窗口宽（约-0.2V ~ +1.2V vs. RHE， 酸性），高化学惰性，优异的电催化活性（特别是对H₂和O₂相关反应），导电性好。易吸附氢气/有机物，需定期清洁（火焰灼烧、电化学循环）。

（2）主要用途：

①标准工作电极：用于基础电化学研究（如CV、EIS）、电化学窗口测定。

②电催化研究：氢析出反应、氧析出反应、氧还原反应的标准对照电极。

③对电极：因其稳定，常用作三电极体系中的对电极。

④传感器基底：修饰后用于气体、生物分子检测。

2.金电极

（1）特性：化学惰性，电化学窗口较铂稍窄（尤其正电位端），表面易于通过硫醇等分子进行自组装单层修饰，对含硫物质敏感。

（2）主要用途：

①表面修饰与自组装研究：构建生物传感器和化学传感器的理想平台。

②生物电化学：用于蛋白质、DNA等生物分子的固定与电子转移研究。

③扫描电化学显微镜的探针。

3.铱电极

（1）特性：在强酸和氧化性介质中非常稳定，对氧析出反应具有较佳的催化活性和稳定性。

（2）主要用途：

①强腐蚀性介质中的工作电极。

②工业电解阳极：氯碱工业、电积锌等的尺寸稳定性阳极涂层的主要成分。

（二）碳钢及廉价金属电极（活性电极）

这类金属在电化学过程中自身会发生氧化还原反应，通常用于电解、电镀、电池等领域。

1.铜电极

（1）特性：导电性佳，中等还原性，易被氧化。

（2）主要用途：

①电镀与电沉积：作为阴极用于镀铜。

②电化学分析：用于检测某些有机物的还原反应。

③电池负极：锌铜原电池中的正极。

④印刷电路板制造：通过电沉积加厚铜层。

2.镍电极

（1）特性：良好的耐腐蚀性、机械强度和催化活性（对H₂、有机小分子氧化）。

（2）主要用途：

①碱性电解池的电极：碱性水电解制氢的阴极和阳极（常用镀镍或镍网）。

②二次电池：镍氢电池、镍镉电池的活性物质和集流体。

③电镀阳极。

④超级电容器：镍基化合物是常见电极材料。

3.铅及其合金电极

（1）特性：过电位高（特别是对氢析出），耐硫酸腐蚀。

（2）主要用途：

①铅酸电池：正负极的集流体和活性物质（PbO₂和Pb）。

②电冶金：锌、铜电积工业中的不溶性阳极（铅银合金）。

4.锌电极

（1）特性：高比容量、低电位、成本低，但在水溶液中易腐蚀和形变。

（2）主要用途：

①一次电池负极：锌锰干电池、锌空气电池的负极活性材料。

②牺牲阳极：用于金属结构的阴极保护。

5.钛电极（DSA - 尺寸稳定性阳极）

（1）特性：钛基体本身导电性差且表面易钝化，但经过镀层（如RuO₂， IrO₂， Pt）处理后，成为兼具钛的机械强度、耐腐蚀性和涂层催化活性的复合材料。

（2）主要用途：

①氯碱工业：核心阳极材料。

②电镀、电解水、废水处理等工业领域的高性能阳极。

（三）汞电极（特殊用途）

1.特性：液态，表面可更新，氢析出过电位高，可与许多金属形成汞齐。

2.主要用途：

（1）极谱分析：经典的电分析化学工具（滴汞电极），用于痕量金属离子的高灵敏度检测。

（2）电化学窗口研究：用于研究在极负电位下发生的反应（如碱金属离子还原）。

（3）注意：由于汞的剧毒性，其使用已受到严格限制，多被固态电极替代。

（四）合金电极及金属化合物电极

1.铂铱合金：增强机械强度和耐腐蚀性，用于制作长寿命的电极或探针。

2.不锈钢电极：常用作对电极或电池壳/集流体，但不适合作为工作电极用于精密研究（易溶出Fe， Cr， Ni离子污染体系）。

3.银/氯化银电极：最重要的参比电极之一，电位稳定，结构简单。

（1）用途：作为电位基准，广泛用于各种电化学测量。

三、 选择金属电极的关键因素

选择哪种金属电极取决于具体的实验或应用目标，需综合考虑：

（1）电化学窗口：电极在特定电解液中稳定不发生反应的电位范围。铂、金、玻碳的窗口很宽。

（2）化学稳定性：是否与电解液发生化学腐蚀？贵金属>钛>镍>碳钢。

（3）催化活性：是否需要电极本身催化目标反应？如Pt对HER， Ir对OER。

（4）导电性：所有金属电极导电性都很好，但银>铜>金>铂。

（5）纯度与表面状态：高纯度、明确晶面或经过特定预处理的电极可获得重现性好的结果。

（6）成本：从廉价的碳钢到昂贵的铂金，成本差异巨大。

（7）毒性：如汞电极需尽量避免。

四、 总结：用途一览表

在实际应用中，金属电极常以块体圆盘、丝、片、网、多孔泡沫等多种形态出现，以满足不同反应对传质、表面积和机械强度的要求。同时，通过在金属基底上修饰纳米材料、催化剂或薄膜，可以极大地拓展其功能，这是现代电化学研究的前沿领域。