超微電極之原理與應用 - 黃彥嘉
課程介紹
超微電極是屬於電化學的一部份,因此在更深入探討超微電極的概念之前,巧貞老師先幫大家複習了有關電化學的基礎知識。
電化學其實就是有關於電能與化學能間的交互作用,舉凡日常生活中常見的燃料電池、太陽能電池以及電鍍等等皆是運用到了電化學最基礎的概念──電化學電池,而依據電能與化學能之間的轉換方向又可分為電解電池(電能轉變為化學能)與賈法尼電池(化學能轉變為電能),二者皆與化學科中常提到的氧化還原反應有關。老師針對電化學電池的種類、材料以及功能皆做了詳盡的介紹,為接下來的課程核心做鋪陳。
前述的內容是屬於定性(qualitative)的分析,而在定量(quantitative)分析的部分,就帶出了「循環伏安」的概念,即是在電化學裝置中,電流與電位之間的關係(改變電位以得到氧化還原電流方向之方法。從一起始電位以固定速率施加至終點電位,再以相同速率改變回起始電位,再觀察電流方向相對於電位的變化)。循環伏安圖與電極的尺寸關係極大,因此才有了「超微電極」這個名詞的出現,不同於一般電極,超微電極至少有一維度的尺寸落在0.1~50微米之間,因其能表現出與常規電極不同的優良化學特性(材料在微米,甚至奈米等級時會與一般尺寸的同一材料表現出不同的性質),故可用來對DNA等有機大分子進行測定。
在課程最後一天,老師安排了幾個有關於超微電極的實驗,第一個是根據所測得的循環伏安圖來估算使用電極的面積(我們使用柱狀的電極,截面積即為電極的面積),由於一般電極所測得的循環伏安圖會有明顯的電流峰值,此峰值與電極的面積成正比,代入方程式後即可求得電極之面積;另外,超微電極的循環伏安圖並不像一般電極具有電流峰值,取而代之的是一穩定態的電流,此穩定態電流與電極半徑成正比,藉由求出的半徑即可得到電極面積。第二個實驗則是測試在電位變化速率不同的情況下,對循環伏安圖的影響,因為在較低電位處,氧化反應速率大於還原反應速率;在較高電位處,還原反應速率大於氧化反應速率,此現象隨著電位高低變化的速率增加而更為顯著,因此造成了零電流電位(電流方向轉變的瞬間)在電位較低處會隨著電位變化速率增加向左偏移;在電位較高處會隨著電位變化速率的增加向右偏移。由於電化學實驗一定會用到電解質溶液,第三個實驗即是關於電解質溶液的濃度,先測得五個已知濃度樣品對電流的數據並作圖,求得回歸直線方程式後再將未知濃度的樣品所測得的電流數據代入回歸直線方程式,即可推斷出未知樣品的濃度。
實驗後針對數據進行分析繳交一篇實驗報告,總成績則由出席(20%)、實驗報告(30%)以及一次的小考(50%)作為評分標準。
修課心得
電化學是許多理工科系都會運用到的一門學問,因此在決定要選擇哪些模組化課程時,便優先將這門課納入了考慮之中。由於一年級時有修過巧貞教授的普通化學,因此對於教授的授課及評分模式並不陌生。但不同於之前上課時,因為在大講堂,燈光全暗冷氣還開很強,使得我大部分時間都在補眠。這次則是在一般的教室又是短期課程,所以下定決心用心聆聽巧貞教授的課程內容。有關於電化學的部分,先前在本系的材料實驗中已有類似的項目,但當時對於循環伏安是一知半解,連其最基本的意義都不明白,在經過這次的模組化課程後,算是徹底把過去所不懂的東西學會了。
一年級時因為普通化學我都沒認真上,因此對於老師並不是很了解。但這整個禮拜下來,發現巧貞教授是一位相當專業的老師,能將艱難的知識講得深入淺出,讓我能很快進入狀況。講義的部分也淺顯易懂,因此在下課後複習時也不會過於吃力,份量也剛剛好,所以基本上都在表定時間內就可以下課了。
最後一天的實驗算是我相當喜歡的一部份。因為來修這門課的同學大部分都是非本科系(化學系)的學生,對於課程內容縱使能聽得懂,卻可能也不曉得其實際應用。因此前幾堂課學習了理論基礎後,最重要的還是要搭配實驗來印證先前所學的,也能讓自己對於上課內容更有印象。比較令人意外的是,實驗中所得到的數據基本上與理論值沒有太大落差,這與過去做實驗時的經歷相差甚遠,也因此在完成實驗報告的過程相當順遂。我認為應該是因為人數少,而自己也相當專注於實驗的步驟,再加上助教也能從旁協助的關係吧!
五天下來我對自己的認真程度算是滿意的,但總成績稍微有點不如預期,相比於暑假修的其他模組化課程來說有些微的落差,可能巧貞教授的標準就是如此吧!因為先前的普通化學學期成績也不是很好看,對想要拉高學期成績的同學或許需要慎重考慮,不過如果是對於電化學這個領域的相關知識有興趣的話,我認為這絕對是值得選修的一門模組化課程,畢竟在這麼短期的課程還能穿插實驗在裡面的模組化課程應該是不多吧!
在上這門課前,原本以為這是屬於純化學的領域,但在撰寫實驗報告的過程中,因為對於超微電極這個名詞還沒有足夠深入的理解,所以我還去查閱了一些相關資料,也了解到超微電極這種尺寸的材料在我的本科材料科學應該也會是大家關注的議題,這也就是所謂的奈米材料。因此選修這門課讓我對於之後系上的專題或是選擇研究所的研究領域上有更多的認識,而不是只侷限於原來狹隘的想法。同樣的,這次的實驗數據也需運用一些數據處理的技巧,這也是過去比較少接觸到的,假使我日後要走模擬的路線,這次模組化課程也讓我先了解其運作模式。
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