电化学交流阻抗测试方法省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第7章交流阻抗测试方法§7.1交流阻抗法概述§7.2电化学极化下交流阻抗§7.3浓差极化下交流阻抗§7.4复杂体系交流阻抗§7.1交流阻抗法概述交流阻抗法(EIS)交流阻抗法是指小幅度对称正弦波交流阻抗法。就是控制电极交流电位（或控制电极交流电流）按小幅度（普通小于10毫伏）正弦波规律改变，然后测量电极交流阻抗，进而计算电极电化学参数。因为使用小幅度对称交流电对电极极化，当频率足够高时，以致每半周期所连续时间很短，不致引发严重浓差极化及表面状态改变。而且在电极上交替地出现阳极过程阴极过程，即使测量讯号长时间作用于电解池，也不会造成极化现阶段象积累性发展。所以这种方法含有暂态法一些特点，常称为“暂稳态法”。“暂态”是指每半周期内有暂态过程特点，“稳态”是指电极过程老是进行稳定周期性改变。交流阻抗法适于研究快速电极过程，双电层结构及吸附等，在金属腐蚀和电结晶等电化学研究中也得到广泛应用。电解池等效电路当用正弦交流电经过电解池进行测量时，往往能够依据测量体系不一样把电解池简化为不一样等效电路所谓等效电路就是由电阻R和电容C所组成这么电路：当加上相同交流电压讯号时，经过此等效电路中交流电流与经过电解池交流电流含有完全相同振幅和相位角。交流电经过电解池时，将双电层等效地看作类似电容器容抗，电极本身、溶液及电极反应所引发阻力看成阻抗，将电解池化为等效电路。图中A和B分别表示电解池研究电极和辅助电极两端RA和RB表示电极本身电阻CAB表示两电极之间电容Rl表示溶液电阻Cd和Cd/分别表示研究电极和辅助电极双电层电容Zf和Zf/分别表示研究电极和辅助电极交流阻抗，通常称为电解阻抗或法拉第阻抗，其数值决定于电极反应动力学参数及测量讯号频率等。双层电容Cd与法拉第阻抗Zf并联值称为界面阻抗。实际没量中，电极本身内阻通常很小，或者能够设法减小，故RA和RB可忽略不计。因两电极间距离比起双电层厚度大得多（双电层厚度普通不超出10-5cm），故电容比双电层电容小得很多，且并联分路（2）上Rl不会太大，故并联分路（1）上总容抗比并联分路（1）（2）上总阻抗（由Cd、Zf、Rl等组成）大得多，因而i2≻≻i1即可认为并联分路（1）不存在（相当于断路），故可略去。于是上图简化下列图，即在普通情况下，电解池阻抗包含两个电极界面阻抗和溶液电阻Rl。测量研究电极双电层电容和法拉第阻抗电解池假如辅助电极上不发生电化学反应，即Zf/非常大，又使辅助电极面积远大于研究电极面积（比如用大铂黑电极），则Cd/很大，其容抗（=）比串联电路上其它元件阻抗小得多，如同Cd/被短路，所以辅助电极界面阻抗可忽略，则上图被简化为下列图。测量溶液电导应满足条件上图研究电极也用不发生电化学反应大面积辅助电极：溶液电导率测试电解槽研究双电层电解池假如用大辅助电极与小研究电极组成电解池，而且研究电极（如滴汞电极或其它固体电极）在某电位范围内不发生电极反应，即靠近理想极化电极，同时选取较高频率（500Hz以上），则可满足Zf＞＞，Zf可略去：再含有大量支持电解质，而交流讯号频率又不太高（1000Hz以下），满足＞＞Rl，在这种条件下整个电解池阻抗与一个电容器相靠近，这就是正弦交流电测定电极双电层电容时应满足条件：应该指出，电极交流阻抗电路与由理想电阻、电容器所组成等效电路并不完全相同。因为双电层电容Cd和法拉第阻抗Zf都随电位改变而改变，所以电极交流阻抗等效电路中各元件数值是随电极电位改变而改变。电化学交流阻抗理论与测试方法研究电化学体系阻抗图谱,取得电极反应体系控制步骤和动力学参数、反应机理以及各原因影响规律，方法有两种:1)等效电路方法理论：建立各种经典电化学体系在不一样控制步骤下等效电路，理论推导出其阻抗图谱。测试方法：由阻抗图谱对照理论画出对应等效电路。优缺点：此法直观,但一个等效电路可能对应不止1个等效电路。2）数据模型方法理论：建立各种经典电化学体系在不一样控制步骤下理论数据模型，理论计算出其阻抗图谱。测试方法：由阻抗图谱对照理论取得数据模型。优缺点：此法准确，但实际电化学体系复杂模型难以建立，正在发展中。阻抗、导纳与复数平面图阻抗:Z=E/I而如正弦交流电压E=Emsinωt等,E、I、Z均为角频率ω(=2πf)或频率f函数。2)导纳:YY=1/Z阻抗矢量表示与复数平面图Z能够表示为实—虚平面矢量:Z=A+jBZ可由模数Z和相角φ来定义:实部:虚部:且:阻抗谱：阻抗随交流信号角频率或频率改变关系1)Nyquist图：描述阻抗随交流信号角频率/频率改变关系复数平面图称为Nyquist图，图上每点表示某频率下阻抗矢量值与相角。2)Bode图：描述阻抗幅值或相角随交流信号角频率/频率改变关系图称为Bode图，包含：幅频特征曲线lgZ～lgω或lgZ～lgf曲线相频特征曲线φ～lgω或φ～