交流阻抗法

交流阻抗法,英文名稱:Ac impedance method,是一種利用小幅度交流電壓或電流對電極擾動,進行電化學測試的方法。

概念

拼音:jiaoliuzukangfa
英文名稱:Ac impedance method
說明:一種利用小幅度交流電壓或電流對電極擾動,進行電化學測試的方法。從獲得的交流阻抗數據,可以根據電極的摸擬等效電路,計算相應的電極反應參數。若將不同頻率交流阻抗的虛數部分對其實數部分作圖,可得虛、實阻抗(分別對應於電極的電容和電阻)隨頻率變化的曲線,稱為電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectrum;EIS)或交流阻抗複數平面圖。該法在電化學中的套用已較普遍。

特點

⒈可以研究修飾電極表面的性質
⒉用小幅度交流信號擾動電解池,觀察體系在穩態時對擾動跟隨的情況
⒊可以明顯的看出修飾電極表面的電子傳遞速率與裸電極表面的電子傳遞速率的區別。
電化學阻抗譜(EIS) 優於其它暫態技術的一個特點是,只需對處於穩態的體系施加一個無限小的正弦波擾動,這對於研究電極上的薄膜,如修飾電極和電化學沉積膜的現場研究十分重要,因為這種測量不會導致膜結構發生大的變化。此外,E IS 的套用頻率範圍廣(10^-2~ 10^5 Hz),可同時測量電極過程的動力學參數和傳質參數,並通過詳細的理論模型或經驗的等效電路,即用理想元件(如電阻和電容等) 來表示體系的法拉第過程、空間電荷以及電子和離子的傳導過程,說明非均態物質的微觀性質分布,因此,E IS 現已成為研究電化學體系和腐蝕體系的一種有效的方法。

導電高分子的EIS的一般特徵

對於導電高分子膜的修飾電極,其EIS 特徵類似於多孔電極或氧化還原電極的EIS 的行為,典型的複平面阻抗圖的特徵為: ⑴ 在高頻區有一個由界面電荷轉移過程產生的圓心在實軸下的半圓,可用電阻和電容的並聯結合來表示。當w →∞,半圓與實軸的交點為R s+ R f,其中R s 和R f 分別表示溶液和膜的未補償歐姆電阻;
⑵ 中間頻率區為電活性物種在膜中的有限擴散引起的W ar-burg 型阻抗,其斜率小於45°;
⑶ 低頻區對應於高分子內電荷的飽和所引起的純電容阻抗。

套用

電導率測量有直流法和交流法兩種,直流法可以測量樣品的總電阻即體電阻和晶界電阻之和,而交流法可以將體電阻和晶界電阻對總電阻的貢獻分開,故而自七十年代以來在固體電解質(快離子導體)的研究中,交流阻抗譜技術得到了廣泛的套用。交流阻抗譜分析對於確定材料的基本電化學參量,了解材料的結構特點和離子輸運機制,都具有重要的套用意義。
交流阻抗譜法是交流法測量電導率的發展,它通過往測試體系上施加一個頻率可變的正弦波電壓微擾,測試其阻抗的頻率回響,來得到固體電解質和界面的相應參數。對於一個電池體系(包括電解質和電極),當施加一個正弦波微擾信號:
(2-1)
(其中U為電壓有效值,ω為角頻率,ω=2πf,f為交流頻率,t為時間, 為電壓初相位, ,Re為取實部。)
迴路所產生的電流一般也為正弦波,可以寫為:
(2-2)
定義:電壓相量 
電流相量 
則測量體系的阻抗可以表示為:
(2-3)
例如,對於純電阻R, ;
對於純電容C,
對於純電感 L,
對於一個電阻R 和電容C並聯的電路,其阻抗為:
(2-4)
一般是把不同頻率下測得的阻抗()和容抗()作複數平面圖,橫坐標為 ,縱坐標為 ,得到的圖稱為阻抗譜圖(也稱Nyquist圖)。

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