实验8交流阻抗谱法测量电极过程参数
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（2）高频极限。当足够高时，含-1/2项可忽略，于是：
Z
= R +
jCd
+
1 1
Rct + −1/ 2 (1−
j)
Z
=
R
+
1
jCd +
1 Rct
Nyquist 图为半圆
电荷传递过程为控制步骤 时等效电路的阻抗
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⚫ 电极过程由电荷 传递和扩散过程 共同控制时，其 Nyquist图是由高 频区的一个半圆 和低频区的一条 45度的直线构成。
线，就得到EIS抗谱。
奈奎斯特图
波特图
Nyquist plot
Bode plot
log|Z| / deg
高频区
低频区
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EIS测量的前提条件
1. 因果性条件（causality）:输出的响应信号只是由输入的 扰动信号引起的的。
2. 线性条件（linearity）: 输出的响应信号与输入的扰动信 号之间存在线性关系。电化学系统的电流与电势之间是 动力学规律决定的非线性关系，当采用小幅度的正弦波 电势信号对系统扰动，电势和电流之间可近似看作呈线 性关系。通常作为扰动信号的电势正弦波的幅度在5mV 左右，一般不超过10mV。
弦波频率的变化，或者是阻抗的相位角随的变化。
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利用EIS研究一个电化学系统的基本思路：
将电化学系统看作是一个等效电路，这个等效电路是 由电阻（R）、电容（C）、电感（L）等基本元件按 串联或并联等不同方式组合而成，通过EIS，可以测 定等效电路的构成以及各元件的大小，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 的性质等。
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⚫ 阻抗和导纳统称为阻纳（immittance）, 用G表示。阻抗和 导纳互为倒数关系，Z=1/Y。
交流阻抗谱介绍
EIS 交流阻抗谱交流阻抗谱交流阻抗谱（EIS ）是一种强大的工具，可以在很宽的频率范围内得到测试样品的阻抗特性谱。
这是通过在样品上施加具有特定频率范围的正弦AC 电压激励信号并测量产生的电流响应来完成。
该响应电流也是正弦信号，但由于响应时间延迟，其相位和施加的电压相位有差别（图1）。
图1： 交流电压和电流幅度和相位根据交流电压的幅度，电流幅度和相位角，可以计算出阻抗，导纳，电容，介电常数等参数以及他们的实部和虚部，从而得到在不同频率下的各种曲线图形。
交流阻抗可以理解为一个复函数，具有实部和虚部。
对于纯电阻，相应的阻抗是实数（虚部以及相角为零）。
对于纯电容或纯电感，阻抗的实部（Z'）为零，相角为-90°或+ 90°。
通常，诸如质量传递，电极和电解质之间的电荷转移等过程的阻抗具有和频率相关的实部和虚部，并且可以通过它们的来判断化学过程的行为。
EIS 交流阻抗谱测试对一个测试体系施加一个固定频率的小幅正弦电压激励信号（例如10mV ），测量未知体系的电流响应值，从而计算出在该频率下的阻抗值。
改变不同的频率，就会得到一系列的数据点集，从而得到交流阻抗谱图。
图2表示了EIS 的测试过程。
EIS 谱图包含了丰富的关于测试体系的信息。
Z ω =E(ω)I(ω)E(ω)=随频率变化的输入电压值 I(ω) =随频率变化的输出电流值 ω=2πf 角频率图2：EIS 测试示意图由于施加的电压信号的幅度很小，使得交流阻抗测试对研究的系统没有破坏性，并且交流阻抗还可以进行原位测试并获得丰富的息，所以EIS 方法已经广泛的应用于储能元件，金属腐蚀，电极表面的吸附与解析，电化学合成，催化剂动态，传感器等领域。
进行EIS测试时，严格来讲，需要满足以下三个条件，这样才能保证交流阻抗的结果的可靠性。
1．因果关系：当用一个正弦波的电压信号对测试体系进行扰动时，测试体系只对施加的扰动信号有响应。
2. 线性条件：施加扰动信号和响应信号在一个线性范围内，这就要求扰动信号足够小时，才能保证线性响应。
电化学交流阻抗测试方法
电化学交流阻抗测试方法
阻抗、导纳与复数平面图 1) 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 的函数。 2) 导纳:Y Y=1/Z 3) 阻抗的矢量表示与复数平面图 4) Z 可以表示为实—虚平面的矢量:
电化学交流阻抗测试方法
二、浓差极化可以忽略并消除了溶液电阻的RC并联等效电路
Z= Z
电化学交流阻抗测试方法
RC并联电路的Nyquist阻抗谱
0
∞
ω
ω
0
Rp/2
Rp
电化学交流阻抗测试方法
RC并联电路的Bode图 ω※ =1/Rp·Cd
Z = Rp
斜率= -1
lg Z = -lgCd – lg ω
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。
电化学交流阻抗测试方法
电解池的等效电路 当用正弦交流电通过电解池进行测量时，往往可以根据测
量体系的不同把电解池简化为不同的等效电路 所谓等效电路就是由电阻R和电容C所组成的这样的电路：
当加上相同的交流电压讯号时，通过此等效电路中的交流 电流与通过电解池的交流电流具有完全相同的振幅和相位 角。 交流电通过电解池时，将双电层等效地看作类似电容器的 容抗，电极本身、溶液及电极反应所引起阻力看成阻抗， 将电解池化为等效电路。
时间常数
lgRl 低频
高频
φ
π/2
π/4
特征频率ω※
lgω※
lgω
电化学交流阻抗测试方法
电化学测试技术——交流阻抗法
代入Zf中整理为：
因此
RT i 1 R .o 2 2 s n F 2Do Co i i C .o RT i 1 R .o 2 2 s n F 2DR C R i i C .R RT i Rr nF i i
4．两种常用的等效电路
并联模拟等效电路 串联模拟等效电路
Cp Rp
Rs
Cs
这些等效电路仅为理论处理方便，并无明确物理意义。 对电解池等效电路而言： 当Rl可略时，用并联模拟等效电路 当Rl不可略时，用串联模拟等效电路
§2 电化学极化下界面阻抗
一、电化学极化时的Faraday阻抗：
Z包括Rr、Cw、Rw，在电化学极化下Zw=0，即Z=Rr
二、方法特点
1．高精度测量 因交流信号激励时间较长时体系各种参量均按正 弦规律变化，已达到平稳态，在任一周期内信号 响应情况完全相同，任取一周期分析，所得结果 一致，且是平均结果，消除了许多误差。
2． i 处理简单 因小幅度激励信号，往往用线性化处理，可以得 到许多线性关系式。
三、注意事项
1．极化状态不一定完全是电化学极化，可能 是有浓差极化，因测量之前已用幅度较大的 直流信号进行极化，仅测量体系对微扰信号 的响应，该情况相当于“载波”用小幅度把 大信号产生的结果带出果。 2．即使是纯电化学极化或混合极化也不一定 在线性极化区。 3．注意小幅度激励信号与小幅度测量信号
四、电解池等效电路
小幅度线性化到t后nn1周期无差别仅是重复已达暂稳态每一个周期内是暂各周期之间完全重复是稳rtnfnfrtnfrtnfrtnfrtnfrtnfrt各信号变化由激励信号决定参变量变化按相同规律变化仅是幅度相位上有差异因此交流阻抗法能提供更多的信息
交流阻抗法测试电极过程动力学参数实验结论和心得
交流阻抗法测试电极过程动力学参数实验结论和心得简介交流阻抗法测试电极过程动力学参数是一种常见的实验方法，主要用于研究电极在不同条件下的动力学响应特性。
本文将介绍在实验过程中我们所采用的方法、实验结果以及所得到的结论和心得。
实验方法我们采用了交流阻抗法来测试电极的动力学参数，具体步骤如下：1.准备工作在实验开始前，我们需要准备好所需的设备和试剂。
设备包括：交流阻抗仪、电极、相应的电缆和插头等；试剂则根据实验的具体要求而定。
2.样品制备根据实验要求，我们制备了不同的电极样品，涉及到的电极材料包括铂、银等。
3.实验步骤•将电极接入交流阻抗仪，并安装相应的电缆和插头。
•根据实验要求设置相应的测试参数，包括频率、电压等。
•进行测试，并记录测试结果。
实验结果通过以上步骤，我们获得了不同材料电极在不同条件下的测试结果。
这些结果主要包括以下两个方面的数据：1.频率响应我们通过测试不同频率下电极的阻抗值，获得了电极的频率响应特性。
在测试中，我们发现在高频率下，电极阻抗值明显下降，说明高频率下电极响应速度更快。
2.电位响应我们通过测试不同电压下电极的阻抗值，获得了电极的电位响应特性。
在测试中，我们发现在高电压下，电极阻抗值明显上升，说明在高电压下电极响应速度更慢。
结论和心得通过以上实验结果，我们得出了以下几点结论和心得：1.不同材料的电极对频率响应和电位响应有不同的影响。
2.在设计电极实验时需要根据具体测试要求对电极材料选择进行优化。
3.每次实验要不断调整和优化测试方案，以取得更准确的结果。
在今后的实验中，我们将继续探索和优化电极实验，为实验结果的准确性和实用性做出更大的贡献。
电化学 文档 (2)
题目：电化学阻抗谱目录1.摘要···················································2.前言···················································3.交流阻抗法·············································4.电解池的等效电路········································5.电化学阻抗谱的推导·····································6.阻抗谱中的半圆偏转现象·································7.电化学阻抗谱的应用······································8.总结···················································9.参考文献·················································电化学阻抗谱摘要：电化学阻抗是电化学测量技术中一种十分重要的研究方法。
实验阻抗
交流阻抗法研究Fe(CN)63+/Fe(CN)62+的电极反应一、实验目的1.利用阻抗法研究不同浓度铁氢化钾的电极反应.2.掌握交流阻抗的操作技术。
（我们这个是有做什么条件实验的么？即什么对什么的影响那些？） 二、实验原理 1、交流阻抗电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy ，EIS ）即给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角φ随ω的变化. 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。
测量的响应信号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ω的变化,或者是阻抗的相位角随频率的变化。
电化学阻抗测量技术是利用波形发生器，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。
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。
如果对系统施加一个正弦波电信号作为扰动信号，则相应地系统产生一个与扰动信号相同频率的响应信号。
通常，正弦信号()U ω被定义为0()=()sin t U U ωωω（）（1）其中，U 为电压，ω为角频率（=2f ωπ，f 为频率），t 为时间。
如果对体系施加如式(1)的正弦信号,则体系产生如式(2)的响应信号0()sin t+I I ωωθ=（）（2）其中()I ω为响应信号，0I为电压，θ为相位角。
式(1)与式(2)中的频率相同。
而体系的复阻抗*()ωZ则服从欧姆定律：*()()()iUZ eIθωωω==Z'''cos sinZ i Z Z iZθθ=+=+即'''cossinZ ZZ Zθθ==其中，1i=-，Z为模，'Z为实部，''Z为虚部。
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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实验8：交流阻抗谱法测量电极过程参数
一、实验目的
1. 了解交流阻抗谱法的基本原理；
2. 能够分析简单的Nyquist谱图获得电极过程参数。
二、实验原理
交流阻抗法是电化学测试技术中一类常用的方法，是以小幅度的正弦
波信号(电流或电位)施加于研究电极时，测量相应的电极电流或电位随时间
的变化，进而计算各种电极参数。
复数阻抗的测量是以复数形式给出电极在
一系列频率下的阻抗，可以提供被研究电极的较丰富的信息，此法得到广泛
的发展，被认为是电化学研究中的颇有潜力的一种方法。
图1. 完全电化学控制下电极的复平面阻抗图图2. 完全电化学
控制下电极的等效电路图
(Nyquist 图) Rs: 溶液电阻；Cdl: 双电层电容；Rct: 电荷交换电阻
图1是完全电化学控制下电极的复平面阻抗图，图2是该电极对应的等效电
路图。
通过等效电路拟合实验所得的Nyquist图，获得电极反应的参数是目
前解析交流阻抗谱图的常用方法。
三、实验器材
CHI电化学工作站；铂片电极；Hg/Hg2SO4参比电极；玻碳电极；三口电解池；
0.1 mol/L VO2+ + 0.1 mol/L VO2+ +3 mol/L H2SO4溶液；程控水浴锅
四、实验步骤
1. 配制0.1 mol/L VO2+ + 0.1 mol/L VO2+ +3 mol/L H2SO4溶液250ml；
2. 预处理电极，将玻碳电极在砂纸上轻轻打磨,用去离子水冲洗干净,铂电
极用硫酸浸泡以除去表面杂质,并用去离子水冲洗；
3. 打开仪器和电脑，连接仪器和电极。
记录电极开路电位，待开路电位稳
定后，选择“交流阻抗”方法。
电极电位为开路电位，施加交流电压信号振
幅为10mV，频率范围为105~103 Hz；
4. 待测量结束后，保存数据，将电解槽放入50o C水浴锅中，重复步骤3.
5. 关闭电脑和仪器，清洗电极与电解槽。
五、实验数据处理及分析
1. 使用仪器自带的软件拟合实验获得的Nyquist,求得Rs、Cdl和Rct三个
参数；
常温下，
Rs=25.38Ω
Rct=495.2Ω
Cdl=3.324⨯10-5F
50℃，
Rs=25.38Ω
Rct=495.2Ω
Cdl=4.934⨯10-5F
2. 在同一张图中作出不同温度下测量的玻碳电极的Nyquist 图及其拟合图。
100
200Z '' / o h m Z' / ohm
图1：常温和50℃下玻碳电极的Nyquist 图及其拟合图。