线性扫描伏安法（LSV）：定义、原理、优势及与 CV 对比

说明：本文详细介绍了线性扫描伏安法（LSV）的定义、原理、核心优势及其与循环伏安法（CV）的对比。阅读本文，读者可以全面了解LSV的基本知识和实际应用，为相关领域的研究和实践提供有力支持。

LSV的定义及原理

线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）是一种基础电化学分析技术，通过在电解池的工作电极与参比电极之间施加随时间线性变化的电势（E=E₀±vt，其中v为扫描速率，E₀为起始电位，E为终止电位），同时记录工作电极与辅助电极之间的电流响应，从而获得电流–电势关系曲线（伏安图），如图1，该方法其历史可追溯至1922年Heyrovský发明的极谱法，历经百年发展，已成为电催化、电池材料及腐蚀防护研究的核心手段。

图1：线性扫描伏安法测试原理图

原理：LSV的电压扫描是单向的，通常以恒定速率（如10 mV/s）从低电位向高电位（或反向）线性变化。扫描过程中，电极表面发生氧化或还原反应，电流响应反映了电极过程的动力学特性。

典型的LSV曲线呈现峰形，其峰值电流（I_p）和峰值电位（E_p）可用于分析反应机制：

峰值电流I_p：与反应物的浓度、扩散系数和扫描速率相关。

峰值电位E_p：反映电极反应的难易程度，可用于判断反应的可逆性。

对于可逆反应，LSV的峰值电流可用Randles-Sevcik方程描述：

n：电子转移数；F：法拉第常数；A：电极面积；C：反应物浓度；D：扩散系数；v：扫描速率。

LSV的核心优势

LSV能够检测低浓度的电化学反应产物，适用于痕量分析。例如，图2总结了LSV、DPV和SWV的扫描电压信号波形，以及其对应的溶出伏安信号波形和方法特点。由图可见，LSV的扫描电压随时间线性增加，工作电极上的电位逐渐升高，导致工作电极持续极化。

在此过程中，工作电极上参与氧化的重金属浓度不断降低，工作电极与对电极回路中的重金属离子浓度差持续增大，进而使溶出电流上升。当工作电极上的重金属浓度降至0时，重金属达到完全极化，溶出电流达到最大值。然而，此时工作电极与对电极回路中的重金属浓度差并非为0，而是逐渐减小，导致溶出电流随之降低，最终形成溶出电流峰。

图2：LSV、DPV和SWV图。DOI：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.027

LSV的操作相对简单，只需设置初始电位、最终电位、扫描速率等参数即可进行实验。这种简便性使得LSV在实验室中易于实施和重复。

如图3，通过三电极系统（工作电极、参比电极、对电极）施加线性电位扫描（电位与时间呈线性关系），直接获得电流–电位曲线。

图3：三电极体系原理图。

LSV通过在工作电极与参比电极间施加线性变化的电位（扫描速率通常为0.001–0.1 V/s），记录电流–电位曲线进行分析。其参数设置简单直观，如起始电位、终止电位、扫描速率等均可根据体系需求灵活调整（如水相体系常用-2~2.0 V，有机相可扩展至-5~5.0 V）。现代电化学工作站还可实现精密控制（如μV/s级扫描），并支持自动补偿功能（如iR补偿），显著提升实验效率。

与CV对比的优势

LSV测试的相关步骤（以CHI-760为例） 

①配置好需要测试的电解液、制作电极、若需通气（如CO₂）则连接好气路，包括进气口、出气口。

②电解槽：三电极体系一般用H槽，双电极体系一般用单槽测试。

③参比电极：由于电解液环境不同，选用的参比电极也不一样，电位校正的换算方式也不一样。

酸性：Ag/AgCl电极E (RHE) = E (Ag/AgCl) + 0.0592*pH + 0.197（饱和氯化钾）

碱性：Hg/HgO 电极E (RHE)= E (Hg/HgO) + 0.0592*pH + 0.098（1M KOH）

中性：饱和甘汞电极E (RHE)= E (饱和甘汞电极) + 0.0592*pH + 0.241

按照如图将电化学工作站通过电机线与电极相连，准备测试。

图4：H槽装置连接图。

①如图，双击打开CHI 760E测试软件。

图5：CHI 760E图标

②进入主界面后，按照如图所示，分别点击红色字体中1（Technique）、2（LSV）、3（OK）中的命令，选中LSV测试技术项目，选择完毕进入测试阶段。

图6：LSV项目选择页面。

③进入参数设置阶段：单击1（parameters），开始设置参数包括起始电压、终止电压、扫描速率、采点间隔、采点间隔的时间以及灵敏度等测试参数，就点击OK键，准备下一步测试项目。

图7：LSV参数设置页面

④设置好参数，点击如图红色圆圈内的按钮，开始测试；黄色圆圈为测试暂停按钮；蓝色圆圈为测试终止按钮。

图8：开始、暂停、终止测试按钮。

⑤测试完成，保存数据。单击红色按钮，保存数据，选择csv格式（原始数据）和txt格式（作图用），保存好两个文件夹。

图8：保存数据按钮

⑥可利用Origin软件绘图对导出的txt数据列表进行分析，可按照冷色/暖色搭配调整图片颜色、形状、线条，尽量让图片看起来直观、美观。

图9：LSV数据的Origin图

五、LSV在电化学中的应用实例

如图，研究人员为了评估不同尺寸电催化剂的实际催化活性，分别在含0.1 M NO₃^–和不含NO₃^–的1 M KOH电解液中，测试了Cu₉S₅ SNWs、Cu₉S₅ NWs、Cu₉S₅ NCs 的NO₃^–RR 性能。

PTA作为空白对照样品。通过线性扫描伏安法（LSV）测试表明，如图10，Cu₉S₅ SNWs在含NO₃^–电解液中表现出高活性，主要表现在相同还原电位下，Cu₉S₅ SNWs的电流密度远高于其他两种催化剂，这突显了其在电催化NO₃^–方面的优越性能。

此外，在含有NO₃^–的电解质中，Cu₉S₅ SNWs、Cu₉S₅ NWs 和Cu₉S₅ NCs的电流密度高于不含NO₃^–的电解液，这表明三种电催化剂的电流密度主要来自NO₃^– RR而不是HER，证实了它们能够有效抑制HER。

图10：相应催化剂的LSV图。DOI：10.1002/aenm.202403354

如图，PtSn/C电极的甲醇氧化起始电位与商业化的JM-Pt/C电极基本一样，并没有明显的提升甲醇氧化反应的活性，表明Sn的加入并没有增强Pt的甲醇氧化催化活性，当形成PtSnCo/C三元催化剂后，其甲醇氧化起始电位比PtSn/C电极明显负移了约150mV与商业化JM-PtRu/C电极的甲醇氧化起始电位一，但其峰电流密度是所有电极中最高的，说明Co的加入有效提升了PtSnCo/C电极的甲醇化催化活性。

图11：DOI：10.3866/PKU.WHXB20112857

根据图11不难发现，经过-900 mV测试的样品NiS₂@CC -900 mV性能优于其他对比样，在较低的过电位下，可以达到比其它样品更大的电流密度。

图11中的火山图更是明确了负高压和过电势的规律，说明低电位下的重构不足以对性能产生影响，随着电位增加，NiS₂@CC对应样品的过电势逐渐减小，在-900 mV 时，过电势达到最低，此时催化剂展现最好的HER性能，电位再次增大时， 过电势随之慢慢变大。

图11：相关催化剂的LSV图及过电位火山图。DOI：10.1016/S1872-2067(24)60286-X 

未来展望

LSV 在电催化（如HER/OER、CO₂RR）、电池材料开发、腐蚀防护等领域的核心地位将进一步加强。同时，LSV常与循环伏安法（CV）、加速耐久性测试（ADT）结合评估催化剂稳定性。未来趋势是与旋转圆盘电极（RDE）、光谱技术（如原位红外）、显微技术（如SEM）等联用，构建多维度分析平台，实现对反应机理（如扩散/动力学控制过程）和材料结构–性能关系的原位、实时解析。