第六章 交流阻抗法讲课稿
电化学交流阻抗测试方法专业知识讲座
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§7.1 交流阻抗法概述
§7.2 电化学极化下的交流阻抗
§7.3 浓差极化下的交流阻抗
§7.4 复杂体系的交流阻抗
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§当之7处.1，请交联流系本阻人或抗网法站删概除述。
• 研究双电层的当电之解处池，请联系本人或网站删除。
如果用大的辅助电极与小的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，即接近 理想极化电极，同时选取较高的频率（500Hz以上），则可满足
Zf ＞＞ 1 ， Zf可略去： Cd
• 再含有大量支持电解质，而交流讯号的频率又不太高（1000Hz以下），
1)等效电路方法 理论：建立各种典型电化学体系在不同控制步骤下的 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的等效电路。 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：建立各种典型电化学体系在不同控制步骤下的理 论数据模型，理论计算出其阻抗图谱。
Cd Cd/被短路，因此辅助电极的界面阻抗可忽略，则上图被简化为下图。
• 测量溶液电导应满足的条件
上图研究电极也用不发生电化学反应的大面积辅助电极：
Rl
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溶液电导率测试电解槽
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交流阻抗测试方法
lg Z
斜率= -1
ω※ =1/Rl·Cd
时间常数
lgRl 低频
高频
φ
π/2
π/4
特征频率ω※
lgω※
lgω
四、浓差极化可以忽略时由R和L组成的电路
L Rl
-jB
Rl
0
0
ω
Rp
Rl + Rp/2
∞
Rl + Rp
A
ω
Rl —(Rp/L)串并联电路的Nyquist图
RT
得：
i
Cd
d
dt
i0
exp
anF
RT
exp
nF
RT
• 即：恒电流暂态期间，虽然极化电流i不随时间发生变化， 但充电电流和反应电流都随时间发生变化。
• 因此，电极/溶极界面相当于一个漏电的电容器，或者说相 当于一个电容和一个电阻并联的电路。
• 电路Cd表示双电层电容，Rr 表示反应电阻，此电路称为电 极/溶液界面的等效电路。
烈变化，因而Cd 有很大变化。这时第二项有很大的数值, 表现为吸脱附电容峰。但在一般情况上，Cd 随时间变化不
大，第二项可以忽略。
• 因 d d
dt dt
•
得：ic
Cd
d
dt
Cd
d
dt
• 随着双电层充电，过电位增加，因此电极反应随过电位增 加而加速：
ir
i0
exp
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（或控制电极的交流电流）按小幅度（一般 小于10毫伏）正弦波规律变化，然后测量电极的交流阻抗， 进而计算电极的电化学参数。
交流阻抗法 离子传导膜 电阻
交流阻抗法离子传导膜电阻交流阻抗法是一种常用的实验技术，用于研究离子传导膜的电阻特性。
离子传导膜是一种能够选择性传导离子的薄膜，广泛应用于电池、燃料电池、分离膜等领域。
交流阻抗法是通过测量电极在交流电场中的响应来研究离子传导膜的电阻特性。
其基本原理是利用交流电压激发离子传导膜中的离子运动，通过测量电极的阻抗来推断膜的电导率和电阻特性。
在实验中，首先需要制备好具有一定厚度和面积的离子传导膜，常用的材料有聚合物膜、陶瓷膜等。
然后将电极固定在离子传导膜的两侧，并通过电缆将电极与测量仪器连接起来。
在进行实验之前，需要先确定适当的实验条件，如频率范围、电压振幅等。
一般情况下，选择一个较低的频率范围可以使测量结果更加准确。
在实验过程中，通过施加交流电压，可以使离子在传导膜中产生运动。
离子传导膜中的离子对电场的响应可以通过测量电极的阻抗来得到。
阻抗是描述电极对交流电压响应的物理量，它由电阻和电容两个部分组成。
通过测量电极的阻抗，可以得到离子传导膜的电导率和电阻特性。
根据交流阻抗法的原理，当交流电压的频率较低时，离子传导膜的电导率主要由离子的迁移速率决定；而当频率较高时，电极与离子传导膜之间的电荷传递过程也会对电导率产生影响。
交流阻抗法具有非常高的测量精度和灵敏度，可以用来研究离子传导膜的电导率、电阻特性以及离子迁移速率等。
同时，该方法还可以用于评估离子传导膜的稳定性和耐久性。
总结来说，交流阻抗法是一种非常重要的实验技术，用于研究离子传导膜的电阻特性。
通过测量电极的阻抗，可以得到离子传导膜的电导率和电阻特性，进而评估其性能和稳定性。
这种方法在电池、燃料电池、分离膜等领域有着广泛的应用前景。
交流阻抗法的原理及应用
交流阻抗法的原理及应用原理介绍交流阻抗法是一种常用的电化学分析技术，用于测定电化学界面上的电化学过程。
它基于交流电信号通过电化学界面时的电流与电压之间的关系，通过测量实际电流和实际电压之间的相位差和幅度比，来研究电化学界面上的电子传递和离子传递过程。
交流阻抗法可以用于研究电化学反应的动力学性质，表征电化学界面的电荷传递过程，以及测定电化学界面的阻抗。
电化学界面电化学界面是指两个介质之间的物理边界，一侧是电解质溶液，另一侧是电极表面。
在电化学界面上，电子和离子参与了电化学反应，形成了电流和电压的交互作用。
交流电信号交流电信号是指电流和电压随时间变化的信号。
在交流阻抗法中，通常使用正弦波信号作为交流电信号，因为正弦波具有良好的周期性和可控的频率和振幅。
交流阻抗交流阻抗是指交流电信号通过电化学界面时的电流和电压之间的比值。
在交流阻抗法中，交流阻抗可以通过测量交流电信号通过电化学界面时的实际电流和实际电压之间的相位差和幅度比来计算。
应用领域交流阻抗法在多个领域中得到了广泛应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 腐蚀研究交流阻抗法可以用于研究金属在不同腐蚀环境中的电化学行为。
通过测量电化学界面上的交流阻抗，可以获得与腐蚀速率、腐蚀产物形成、腐蚀机理等相关的信息，为腐蚀控制和材料保护提供重要的参考。
2. 电化学传感器交流阻抗法可以用于开发电化学传感器。
电化学传感器利用电化学反应与待测物质之间的相互作用来实现对待测物质的检测和测量。
通过测量电化学传感器上的交流阻抗，可以实现对待测物质浓度、反应速率等参数的测量。
3. 生物医学应用交流阻抗法可以应用于生物医学领域，例如生物传感和生物成像。
利用交流阻抗法，可以研究生物体内的电化学反应和生物电阻抗的变化，实现对生物体内部结构和功能的非侵入性监测和成像。
4. 能源领域交流阻抗法可以应用于能源领域的电池和燃料电池等能源设备的研究。
通过测量交流阻抗，可以评估电池和燃料电池的性能和稳定性，研究电化学反应动力学，优化能源材料和器件设计。
交流阻抗技术
Zm
Vm 电压的振幅， 1 为电压相位角
I m电流的振幅， 2 为电流相位角
V Vm j (1 2 ) Z e I Im
Vm Im
令
1 2
Z m阻抗模
电压振幅 电流振幅
相位角 电压相位角 电流相位角
∴
Z Z m e j
（6-1 ）
8
（6-1）式为阻抗的指数形式，与复数指数形式相同。
本章介绍的扰动信号是交流电信号的方法。即交
流阻抗法。
2
1、什么是交流阻抗法
当扰动信号为按时间作正弦波规律变化时电流或电 位，也就是按正弦波规律变化的电流或电位加到电极上， 测量其响应信号电极交流阻抗。（ 或 随 ti 的变化） 这种方法就称为交流阻抗法。电极的交流阻抗为一复数， 复数有实部和虚部，响应信号，测量的信号就是一个实部 与虚部所做的图，这个图称为复数平面图（Nyquist图、 Sluyter图）。
正弦波交流电通过电路与通过电极具有相同的振幅与相位 角，这种电路称为电极等效电路。 ②电极过程阻抗基本组成： i、电荷传递过程：电化学反应过程 如电化学反应难进行，速度慢，表示电荷传递反应受到的 阻力大；
如电化学反应易进行，速度快，表示电荷传递反应受到的 阻力小。 ∴可以用电阻来模拟电化学反应阻力大小，表示电化 学反应阻力的用电阻 Rr 表示叫电化学反应电阻 用
1 Z RS j wCS
这就说明串联电路的阻抗是一个共轭复数 。阻抗是共 轭复数，一定是串联电路。
④ 并联电路的导纳：
1 i，导纳的概念：阻抗的倒数（ ）称为导纳 Z 1 Y 用Y表示导纳 Z
纯电阻的导纳为
1 ，纯电容的导纳为 R
jwC
11
交流阻抗及解析
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。
交流阻抗及解析
电化学阻抗谱
➢ 以小幅度的正弦交流信号（I或Φ）作激励信号扰动 电解池，测量体系对扰动的跟随情况（即I～t或φ～t 曲线） ，也可直接测量电极阻抗随交流信号频率变 化，以此来研究电极系统的方法就是交流阻抗法 （AC Impedance),又称为电化学阻抗谱 （Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)。
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。
Z
Rp
1 (RpCd )2
Z
Rp2Cd 1 (RpCd
)2
tanZ
Z
RpCd
RpCd
Z Z
将此式代入 Z 中有:
Z 1(RZp)2
RpZ2 Z2 Z2
Z
溶液电阻可以忽略时电化学极化的电化学阻抗谱
Z3Z2ZRpZ2 Z2RpZZ20