电化学阻抗谱参数设置
电化学原理与方法-电化学阻抗谱（可编辑）
电化学原理与方法-电化学阻抗谱电化学阻抗谱的设计基础和前几章我们讨论的控制电势和控制电流技术基本类似，也是给电化学系统施加一个扰动电信号，然后来观测系统的响应，利用响应电信号分析系统的电化学性质。
所不同的是，EIS 给电化学系统施加的扰动电信号不是直流电势或电流，而是一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量的响应信号也不是直流电流或电势随时间的变化，而是交流电势与电流信号的比值，通常称之为系统的阻抗，随正弦波频率?的变化,或者是阻抗的相位角随频率的变化。
可以更直观的从这个示意图来看，利用波形发生器，产生一个小幅正弦电势信号，通过恒电位仪，施加到电化学系统上，将输出的电流/电势信号，经过转换，再利用锁相放大器或频谱分析仪，输出阻抗及其模量或相位角。
通过改变正弦波的频率，可获得一些列不同频率下的阻抗、阻抗的模量和相位角，作图即得电化学阻抗谱-这种方法就称为电化学阻抗谱法。
将电化学阻抗谱技术进一步延伸，在施加小幅正弦电势波的同时，还伴随一个线性扫描的电势，这种技术称之为交流伏安法。
本章只介绍电化学阻抗谱技术。
由于扰动电信号是交流信号，所以电化学阻抗谱也叫做交流阻抗谱。
利用电化学阻抗谱研究一个电化学系统时，它的基本思路是将电化学系统看作是一个等效电路，关于电化学系统等效电路的概念我们前面已经介绍过了，这个等效电路是由电阻、电容、电感等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成，通过EIS，可以定量的测定这些元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。
这一节我们来介绍有关电化学阻抗谱的一些基础知识和基本概念。
首先来看电化学系统的交流阻抗的含义。
将内部结构未知的电化学系统当作一个黑箱，给黑箱输入一个扰动函数（激励函数），黑箱就会输出一个响应信号。
用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数。
传输函数是由系统的内部结构决定的，因此通过对传输函数的研究，就可以研究系统的性质，获得有关系统内部结构的信息。
eis电化学阻抗谱 测试方案
eis电化学阻抗谱测试方案测试方案：EIS（Electrochemical Impedance Spectroscopy，电化学阻抗谱）是一种用于研究电化学反应的分析技术。
本测试方案旨在介绍EIS测试的基本原理、实验步骤以及数据分析方法，方便研究人员正确进行EIS测试并准确解读测试结果。
一、测试原理：EIS测试是通过在待测电化学系统中施加一小幅交流电信号，然后测量系统响应的交流电压和电流，根据其频率变化的过程分析系统的等效电路，从而得到更多的电化学信息。
二、实验步骤：1.准备工作：-确保待测电化学系统（如电池、电解槽等）已经装配完毕，并根据需要配置好参考电极和工作电极。
-预先准备好测试电极，可以使用传统的金属电极（如铂电极），也可以根据实际需要选择其他材料的电极。
-准备好测试装置，包括示波器、信号发生器以及数采设备等，确保这些设备能够正常工作。
2.实验准备：-将待测电池或电化学系统与测试装置连接好。
-参数设置：根据实际需要设置测试参数，包括交流电信号的频率范围、振幅以及采样点数等。
3.开始测试：-使用信号发生器产生一小幅交流电信号，将其施加到待测电化学系统上。
-使用示波器同时测量系统的交流电压和电流，并将这些数据通过数采设备传输到电脑上进行记录。
-在给定的频率范围内按照一定的步长进行频率扫描，通常从低频到高频扫描，每个频率点上都进行一段时间的数据采集。
4.数据分析：-将所得的电压和电流数据传输到电脑上进行进一步的分析。
-使用合适的数据处理软件或编程语言（如Matlab）对采集到的数据进行拟合，并根据其频率响应曲线绘制出频率-幅度图和频率-相位图。
-可以根据得到的等效电路模型参数来分析电化学系统的特性，如电极反应动力学、界面传递过程以及电极和电解液的电化学阻抗等。
-对于复杂的系统，如果只有一个等效电路无法描述，可以使用多个等效电路模型拟合，进行更详细的分析。
三、注意事项：1.保证实验环境的稳定性，尽可能排除外界干扰因素对实验结果的影响。
31 电化学阻抗谱EIS基础、等效电路、拟合及案例分析
ZC
=
1
j(Q)1
=
1
jC
ZQ
=
1
Y0 n
cos
n
2
−
j
1
Y0
n
sin
n
2
上面介绍的公式中的n实质上都是经验常数，缺乏确切的物 理意义，但可以把它们理解为在拟合真实体系的阻抗谱时对 电容所做的修正。
2.2.2 电荷传递和扩散过程混合控制的EIS
平板电极上的反应：
电极过程由电荷传递过程和扩散过程共同控制，电化学 极化和浓差极化同时存在时，则电化学系统的等效电路 可简单表示为：
高频区
低频区
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1.3 EIS的特点 1. 由于采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰，电
极上交替出现阳极和阴极过程，二者作用相反，因此， 即使扰动信号长时间作用于电极，也不会导致极化现 象的积累性发展和电极表面状态的积累性变化。因此 EIS法是一种“准稳态方法”。
2. 由于电势和电流间存在线性关系，测量过程中电极处 于准稳态，使得测量结果的数学处理简化。
Nyquist 图上为与纵轴（虚部）重合的一条直线
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Z = Z ' + jZ ''
2.1.4 电组R和电容C串联的RC电路 串联电路的阻抗是各串联元件阻抗之和
Z
=
ZR
+
ZC
=
R−
j( 1 )
C
实部： Z ' = R
虚部： Z '' = −1/ C
RC复合元件频率响应谱的阻抗复平面图
RC复合元件的波特图
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3. 稳定性条件（stability）: 扰动不会引起系统内部结构 发生变化，当扰动停止后，系统能够回复到原先的状 态。可逆反应容易满足稳定性条件；不可逆电极过程， 只要电极表面的变化不是很快，当扰动幅度小，作用 时间短，扰动停止后，系统也能够恢复到离原先状态 不远的状态，可以近似的认为满足稳定性条件。
电化学阻抗谱及其数据处理与解析
2f ω为角频率，f 用Hz表示。
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R 电阻 C 电容 L 电感 Q (CPE) 常相位角元件 W (Warburg扩散阻抗) T 双曲正切 固体电解质 O 双曲余切 有限扩散
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Q (CPE) 常相位角元件
Constant Phase Angle Element 界面双电层 - 界面电容 弥散效应 圆心下降的半圆 0<n<1
稳定性条件：对电极系统的扰动停止后，电极 系统能恢复到原先的状态，往往与电极系统的 内部结构亦即电极过程的动力学特征有关。
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因果性条件
当用一个正弦波的电位信号对电极系统进行扰动 ，因果性条件要求电极系统只对该电位信号进行 响应。这就要求控制电极过程的电极电位以及其 它状态变量都必须随扰动信号——正弦波的电位 波动而变化。控制电极过程的状态变量则往往不 止一个，有些状态变量对环境中其他因素的变化 又比较敏感，要满足因果性条件必须在阻抗测量 中十分注意对环境因素的控制。
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总的说来，电化学阻抗谱的线性条件只能被近 似地满足。我们把近似地符合线性条件时扰动 信号振幅的取值范围叫做线性范围。每个电极 过程的线性范围是不同的，它与电极过程的控 制参量有关。如：对于一个简单的只有电荷转 移过程的电极反应而言，其线性范围的大小与 电极反应的塔菲尔常数有关，塔菲尔常数越大 ，其线性范围越宽。
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阻纳是一个频响函数，是一个当扰动与响应都是 电信号而且两者分别为电流信号和电压信号时的 频响函数。
由阻纳的定义可知，对于一个稳定的线性系统 ，当
响与扰动之间存在唯一的因果性时，GZ与GY 都决定于系 统的内部结构，都反映该系统的频响特性，故在GZ与GY 之间存在唯一的对应关系：GZ = 1/ GY
电化学阻抗谱及其数据处理与解析-张鉴清
• 总的说来，电化学阻抗谱的线性条件只 能被近似地满足。我们把近似地符合线 性条件时扰动信号振幅的取值范围叫做 线性范围。每个电极过程的线性范围是 不同的，它与电极过程的控制参量有关。 如：对于一个简单的只有电荷转移过程 的电极反应而言，其线性范围的大小与 电极反应的塔菲尔常数有关，塔菲尔常 数越大，其线性范围越宽。
按规则（１）将这一等效电路表示为： R CE-1 按规则（２）， CE-1 可以表示为（ Q CE-2 ）。因 此整个电路可进一步表示为： R(Q CE-2) 将复合元件CE-2表示成(Q(W CE-3))。整个等效电 路就表示成： R(Q(W CE-3)) 剩下的就是将简单的复合元件 CE-3 表示出来。应 表示为（ RC ）。于是电路可以用如下的 CDC 表示： R(Q(W(RC)))
G( ) = G’( ) + j G”( )
阻抗或导纳的复平面图
• 复合元件(RC)频响特征的阻抗复平面图
导纳平面图
Байду номын сангаас
阻抗波特（Bode）图
复合元件(RC)阻抗波特图
两个时间常数等效电路A
两个时间常数等效电路B
阻抗的复平面图
阻抗波特（Bode）图
电化学阻抗谱的基本条件
• 因果性条件:当用一个正弦波的电位信号对电极 系统进行扰动，因果性条件要求电极系统只对 该电位信号进行响应。 • 线性条件。当一个状态变量的变化足够小，才 能将电极过程速度的变化与该状态变量的关系 作线性近似处理。 • 稳定性条件。对电极系统的扰动停止后，电极 系统能回复到原先的状态，往往与电极系统的 内部结构亦即电极过程的动力学特征有关。
从阻纳数据求等效电路的数据处理方法
电路描述码 我们对电学元件、等效元件，已经用符号 RC、RL或RQ表示了R与C、L或Q串联组 成的复合元件，用符号 (RC) 、(RL) 或 (RQ)表示了R与C、L或Q并联组成的复合 元件。现在将这种表示方法推广成为描述 整个复杂等效电路的方法， 即形成电路 描述码 (Circuit Description Code, 简写为 CDC)。规则如下：
光催化剂的电化学阻抗谱(eis)
光催化剂的电化学阻抗谱(EIS)一、引言光催化剂是一种利用光能将化学反应转化为可见光下的催化剂，被广泛应用于环境净化、能源转化等领域。
电化学阻抗谱(EI S)是一种常用的表征光催化剂催化性能的方法，通过测量电化学特性来研究光催化剂的光电化学反应过程。
本文将介绍光催化剂的电化学阻抗谱的基本原理、实验操作步骤以及数据分析方法。
二、原理光催化剂的电化学阻抗谱是在稳态光照条件下，将光催化剂电极与参比电极连接，通过外加电压或电流进行周期性变化，并测量电极界面的阻抗随频率的变化。
根据频率响应可以分析出光催化剂的动力学特性和界面传递过程。
常用的描述电化学阻抗谱的参数有交流阻抗模、交流阻抗角、电容等。
光催化剂的电化学阻抗谱实验主要分为两种类型：单频率扫描和频率扫描。
单频率扫描法通过固定频率扫描测量阻抗，适合于表征催化剂的动力学特性；频率扫描法则通过一定频率范围内的扫描，可以了解催化剂的界面传递过程。
三、实验步骤1.准备光催化剂电极：将已经洗净的玻璃电极浸泡在光催化剂溶液中，保证其充分吸附。
2.连接电极：将光催化剂电极、参比电极和工作电极按照电路图连接。
3.设置测量参数：根据实验要求设置扫描范围、初始电位、扫描速度等参数。
4.进行扫描：启动仪器，开始进行电化学阻抗谱的测量。
5.数据记录：记录电化学阻抗谱的实验数据，并存储在计算机中供后续分析使用。
6.数据分析：根据测量结果，应用电化学阻抗谱的分析方法进行数据处理，并获取所需的参数。
四、数据分析方法根据光催化剂的电化学阻抗谱实验数据，可以采用以下方法对光催化剂的性能进行分析：1.交流阻抗模：根据测量的电阻和电容值计算得到，用于描述光催化剂的电化学特性和催化活性。
2.交流阻抗角：通过计算交流阻抗模的正切值得到，用于反映光催化剂的界面传递过程。
3.电容：根据交流阻抗谱中的电容值，可以了解光催化剂表面化学吸附的情况。
4.频率响应：根据频率扫描时的阻抗变化情况，可以了解光催化剂的动力学特性和界面传递过程。
电化学阻抗谱分析详解
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线性条件
• 由于电极过程的动力学特点，电极过程速度随状态变量的变 化与状态变量之间一般都不服从线性规律。只有当一个状态 变量的变化足够小，才能将电极过程速度的变化与该状态变 量的关系作线性近似处理。故为了使在电极系统的阻抗测量 中线性条件得到满足，对体系的正弦波电位或正弦波电流扰 动信号的幅值必须很小，使得电极过程速度随每个状态变量 的变化都近似地符合线性规律，才能保证电极系统对扰动的 响应信号与扰动信号之间近似地符合线性条件。总的说来， 电化学阻抗谱的线性条件只能被近似地满足。我们把近似地 符合线性条件时扰动信号振幅的取值范围叫做线性范围。每 个电极过程的线性范围是不同的，它与电极过程的控制参量 有关。如：对于一个简单的只有电荷转移过程的电极反应而 言，其线性范围的大小与电极反应的塔菲尔常数有关，塔菲 尔常数越大，其线性范围越宽。
4.奇数级的括号表示并联组成的复合元件，偶数级的括
号则表示串联组成的复合元件。把０算作偶数，这一规 则可推广到第０级，即没有括号的那一级。例如，图.3 所表示的等效电路，可以看成是一个第０级的复合元件
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整个等效电路CDC表示为
(C((Q(R(RQ)))(C(RQ))))
第（５）条规则：
• 线性条件。当一个状态变量的变化足够小，才 能将电极过程速度的变化与该状态变量的关系 作线性近似处理。
• 稳定性条件。对电极系统的扰动停止后，电极 系统能回复到原先的状态，往往与电极系统的 内部结构亦即电极过程的动力学特征有关。
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因果性条件
• 当用一个正弦波的电位信号对电极系统进行 扰动，因果性条件要求电极系统只对该电位 信号进行响应。这就要求控制电极过程的电 极电位以及其它状态变量都必须随扰动信 号——正弦波的电位波动而变化。控制电极 过程的状态变量则往往不止一个，有些状态 变量对环境中其他因素的变化又比较敏感， 要满足因果性条件必须在阻抗测量中十分注 意对环境因素的控制。
电化学阻抗谱的应用及其解析方法
电化学阻抗谱的应用及其解析方法交流阻抗发式电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。
特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。
1. 阻抗谱中的基本元件交流阻抗谱的解析一般是通过等效电路来进行的，其中基本的元件包括：纯电阻R ，纯电容C ，阻抗值为1/j ωC ，纯电感L ，其阻抗值为j ωL 。
实际测量中，将某一频率为ω的微扰正弦波信号施加到电解池，这是可把双电层看成一个电容，把电极本身、溶液及电极反应所引起的阻力均视为电阻，则等效电路如图1所示。
Element Freedom Value Error Error %Rs Free(+)2000N/A N/ACab Free(+)1E-7N/A N/A Cd Fixed(X)0N/A N/A Zf Fixed(X)0N/A N/ARt Fixed(X)0N/A N/ACd'Fixed(X)0N/A N/AZf'Fixed(X)0N/A N/ARb Free(+)10000N/A N/A Data File:Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\12861 Dummy Cell.mdlMode:Type of Weighting:Data-Modulus图1. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路图中A 、B 分别表示电解池的研究电极和辅助电极两端，Ra 、Rb 分别表示电极材料本身的电阻，Cab 表示研究电极与辅助电极之间的电容，Cd 与Cd ’表示研究电极和辅助电极的双电层电容，Zf 与Zf ’表示研究电极与辅助电极的交流阻抗。
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电化学阻抗谱参数设置
电化学阻抗谱参数设置
1. 引言
电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)是
一种广泛应用于材料科学、电池技术、腐蚀研究等领域的电化学测试方法。
EIS通过对测试物体施加小振幅交流电信号并测
量其响应，得到频率范围内材料或电池的等效电路参数，进而可以推断材料的电化学特性、离子传输过程以及电池的性能状态等信息。
2. 基本原理
EIS的基本原理是利用交流电信号对电化学系统进行激励，通
过测量响应电流与激励电压之间的相位差和幅值来确定系统的阻抗。
电化学系统的阻抗由电解液、电极表面和界面上的电荷传输、离子传输、质量传输等过程共同贡献。
3. 测试仪器和电化学接口
EIS测试通常需要使用电化学工作站或电化学测量系统，该系
统通常包括频率响应分析器(Frequency Response Analyzer, FRA)、电位电流源(电化学接口)和计算机控制及数据处理软件。
3.1 频率响应分析器
频率响应分析器是EIS测试的核心设备，它能够产生某一频率范围内的交流电信号，并测量电化学系统对这些信号的响应。
常见的频率响应分析器包括Lock-in放大器、扫频信号发生器、数字信号处理器等。
3.2 电位电流源
电位电流源是电化学接口的核心部分，它主要用于控制电化学系统的电位和电流，使系统处于不同的工作状态。
常见的电位电流源有电化学工作站和电化学调谐器。
4. EIS测试参数设置
4.1 交流电信号振幅
交流电信号振幅应该足够小，以确保电化学系统处于线性响应区，同时又要保证信号不至于过于微弱，避免噪声干扰的影响。
通常，可以设置交流电信号振幅为电化学系统的开路电位的
10倍以下，即Ua<0.1ER，其中Ua为交流电信号振幅，ER为
开路电位。
4.2 频率范围选择
EIS测试通常需要在较宽的频率范围内进行，从低频到高频逐
渐增加。
低频范围可选择0.01 Hz至0.1 Hz，用于测量材料或
电池的电化学界面及离子传输等慢速过程；中频范围可选择1 Hz至10 kHz，用于测量质量传输等中速过程；高频范围可选
择10 kHz至1 MHz，用于测量电解液电导率等快速过程。
4.3 扫频方式
扫频方式有两种常见的选择：线性扫频和对数扫频。
线性扫频适用于频率范围较小时，能够更好地反映系统的低频特性；对数扫频适用于频率范围较大时，能够更好地探测系统的高频响应。
4.4 统计参数
为提高测试结果的准确性和可重复性，通常需要进行多次测试，并对测试结果进行统计分析。
常见的统计参数有平均值、标准偏差和可重复性等。
5. 数据处理和等效电路模型拟合
对于得到的EIS数据，需要进行合适的数据处理和等效电路模型拟合，以提取出系统的等效电路参数。
常见的等效电路模型有Randles电路、Warburg电路、Gerischer电路等。
根据测试
结果和实际需求，可以选择适当的等效电路模型进行拟合，并得到对应的参数。
6. 结论
电化学阻抗谱的参数设置对于测试结果的准确性和可靠性具有重要影响。
合理设置交流电信号振幅、频率范围选择、扫频方式以及进行多次测试和数据处理，能够得到准确且可重复的测试结果，为材料科学、电池技术、腐蚀研究等领域的相关研究提供重要的参考。
同时，还应根据测试对象的具体要求，选择合适的等效电路模型进行数据拟合，以获取相关的电化学特性参数。