RST电化学工作站实验例子_08—交流阻抗_20111002.pdf

RST5000 系列电化学工作站实验例子 V3.0 2011-10 苏州瑞思特仪器有限公司 第 1 页 5.8 交流阻抗交流阻抗 5.8.1 5.8.1 体系连接体系连接 三电极体系连接方法（测半电池）：绿线接工作电极，黄线接参比电极，红线接辅助电极。二电极体系连接方法（测成品电池）：绿线接电池正极，黄线与红线连在一起接电池负极。5.8.2 5.8.2 交流阻抗谱参数设定交流阻抗谱参数设定 选择交流阻抗方法，进入参数设置界面，根据电化学体系的不同可修改一些参数。偏置电位一般取开路电位，在这个电位下测量不会破坏现有电化学体系的平衡状态。等开路电位稳定后，按按钮即开始测量。测量自动进行，无需干预。RST5000 系列电化学工作站实验例子 V3.0 2011-10 苏州瑞思特仪器有限公司 第 2 页 参数名称 单位 取值范围 简单描述 静置时间 秒(S)0 1000000 接通电极，等待测量开始。采用偏置电位。偏置电位 伏(V)+/-6.4 测量过程中叠加于交流信号之上的直流电位。无极化：偏置电位=开路电位。有极化：偏置电位=开路电位+超电势。起始频率 赫兹(Hz)0.00001139000 测量开始后，第一个频点的频率。终止频率 赫兹(Hz)0.00001139000 测量过程中，最后一个频点的频率。交流振幅 伏(V)0.0001 0.5 交流扰动信号的幅度，即瞬间最大值。（A A）频段频段 在电化学阻抗谱中，以对数方式描述频率变化可使阻抗谱显得紧凑而不失特征。在对数坐标系中，人们更习惯于以 10 为底。鉴于此，在 RST 电化学工作站中，将频率变化 10 倍的频率范围称为一个频段。例如：将 1Hz10Hz 的频率范围称为频段 6；将 10Hz100Hz 的频率范围称为频段 7，等等。在每个频段中，可包含 124 个频点，依操作者设置而定。一般地，需要着重关注的频段可多设置一些频点，运行时间太长的频段可少设置一些频点。（B B）频点频点 电化学阻抗是频率的函数（例如：在幅频特性和相频特性中频率是自变量；在阻抗复平面和导纳复平面中频率是参变量）。为了较全面地表述电化学体系的阻抗特征，我们需要在较宽的频率范围内对其进行测量，一般需要几十个频率。在 RST 电化学工作站中，将这种离散的测量频率称为频点。经过测量，每一个频点将获得一组测量值。（C C）周波周波 在 RST 电化学工作站中，将正弦波持续一个完整周期，相位变化量=2（360 度）所形成的波形称为一个周波。在交流信号的稳态测量中，测量时间越长，信噪比越高。因此，将某个频点的周波数设得多一些，该频点的测量数据就会更精确一些，当然，相应的测量时间将变得长一些。（D D）起始频率起始频率、终止终止频率频率 在电化学阻抗谱测量过程中，我们将第一个测量频率称为起始频率；将最后一个测量频率称为终止频率。由于频率较高的频点所需的测量时间较短，因此，如将起始频率设成高频，将终止频率设成低频，则在测量过程中可较早地看到阻抗谱的全貌。（E E）运行时间运行时间 运行时间与起始频率、终止频率、频点数量、每个频点的周波数等参数的设置息息相关。在 RST电化学工作站的软件中，当改变上述参数时，运行时间将立即计算得到，便于操作者权衡。（F F）偏置电位偏置电位 在 RST 电化学工作站中，对电解池中的工作电极所加的直流电位(相对于参比电极）称为偏置电位。在电子学中，为了便于信号分析，常把交直流混合信号看成是由一个交流信号和一个直流信号叠加组成的。从时间波形上看，直流信号可使交流波形向上或向下偏移，从而称其为偏置信号。如以电位(电压）形式表述，则称为偏置电位(电压）。大多数电化学阻抗的测量是在开路电位条件下进行的。此时，外电路电流为零，即极化电流为零，工作电极上没有超电势。请注意，此时加到工作电极上的偏置电位是其开路电位。由于电化学RST5000 系列电化学工作站实验例子 V3.0 2011-10 苏州瑞思特仪器有限公司 第 3 页 系统的开路电位很难用理论公式精确计算，需要实测得到。因此，在进行电化学阻抗谱测量之前，我们要先测得电极系统处于稳态时的开路电位，并使偏置电位=开路电位。如果需要在极化条件下测量电化学阻抗谱，则：偏置电位=开路电位 超电势。例如：测量阳极钝化状态下的电化学阻抗谱，应使偏置电位=阳极钝化电位。测量阳极腐蚀状态下的电化学阻抗谱，应使偏置电位=阳极腐蚀电位。测量阴极保护状态下的电化学阻抗谱，应使偏置电位=阴极保护电位。（G G）交流振幅交流振幅 正弦交流激励信号的幅度。从不破坏电化学体系状态以及减小非线性失真的角度考虑，交流振幅越小越好；从电子测量所需的信噪比角度考虑，交流振幅越大越好。一般认为 10mV 比较合适，其实这是一种折中。我们可根据实验所用的电化学体系以及实验环境所遭受的干扰大小，在 5mV50mV 之间选取。RST 电化学工作站，采用了正弦锁相放大器及正弦相关检测器，具有很强的电化学噪声和环境噪声抑制能力。（H H）电流量程电流量程 在电化学阻抗谱测量过程中，随着测量频率的大范围改变，电极系统的阻抗数值变化很大，通常可达好几个数量级。在 RST 电化学工作站中，有自动量程供选择。一般我们可选择自动量程。只有当频率范围较小并且已经知道响应信号的幅度时，才可用固定电流量程。5.8.3 5.8.3 测量结果图测量结果图 下图为钮扣电池电化学阻抗谱的测量结果：RST5000 系列电化学工作站实验例子 V3.0 2011-10 苏州瑞思特仪器有限公司 第 4 页 5.8.4 5.8.4 图谱叠加图谱叠加 多个阻抗谱图形可以叠加在一起进行分析比较，下图为钮扣电池与模拟电解池阻抗谱叠加。5.8.55.8.5 与阻抗谱测量相关的名词解释与阻抗谱测量相关的名词解释 （A A）自动去偏自动去偏 在电化学阻抗谱测量过程中，由于偏置电位不一定等于开路电位以及少量的非线性作用，在工作电极电流中还会含有直流成分。去除这个直流成分(偏流），可扩大交流信号的动态范围、提高信噪比。RST5200 电化学工作站，可在测量过程中动态地调整去偏电流，使获得的阻抗谱数据更精准。（B B）高阻电压传感器高阻电压传感器 属有源传感器，其输入级为高阻抗电压跟随器，一般要求其输入阻抗达到 1E10 欧姆以上。而普通电压表的阻抗通常为 1E6 欧姆左右。在应用上，对于阻抗极高的被测电路，例如：玻璃参比电极、处于低湿度状态的混凝土(电解质）、超微电极等，只有采用高阻电压传感器才能准确测定其开路电位。RST 系列电化学工作站的输入阻抗达到 1E13 欧姆。（C C）零阻电流传感器零阻电流传感器 属有源传感器，它通过运放的负反馈作用使电流流过传感器形成的电压降趋于零。对被测电路而言，零阻电流传感器相当于短路。在应用上，对于低电压低阻抗的被测电路，例如：浓差电偶腐蚀电流、强电解质的溶液电阻等，只有采用零阻电流传感器才能精确测定。一般地，低频零阻电流传感器易于实现。当工作频率较高时，器件的高频特性将明显制约零阻RST5000 系列电化学工作站实验例子 V3.0 2011-10 苏州瑞思特仪器有限公司 第 5 页 电流传感器的性能。通过特别设计，RST5000 系列电化学工作站的零阻电流传感器能够在 10MHz 下稳定工作。从而，确保了交流阻抗法中的幅度及相位的精确测定。（D D）交流阻抗交流阻抗 交流阻抗即阻抗，在电子学中，是指电子部件对交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性；在电化学中，是指电极系统对所施加的交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性。阻抗模的单位为欧姆，阻抗辐角(相角）的单位为弧度或度。（E E）交流阻抗谱交流阻抗谱 在测量阻抗的过程中，如果不断地改变交流激励信号的频率，则可测得随频率而变化的一系列阻抗数据。这种随频率而变的阻抗数据的集合被称为阻抗频率谱或阻抗谱。阻抗谱是频率的复函数，可用幅频特性和相频特性的组合来表示;也可在复平面上以频率为参变量将阻抗的实部和虚部展示出来。测量频率范围越宽，所能获得的阻抗谱信息越完整。RST5200 电化学工作站的频率范围为：0.00001Hz139kHz，可以很好地完成阻抗谱的测量。电化学阻抗谱是一种电化学测试方法，采用的技术是小信号交流稳态测量法。对于电化学电极体系中的溶液电阻、双电层电容以及法拉第电阻等参量，用电化学阻抗谱方法可以很精确地测定；而用电流阶跃、电位阶跃等暂态方法测定，则精度要低一些。另外，像扩散传质过程等需要用较长时间才能测定的特性，用暂态法是无法实现的，而这却是电化学阻抗谱的长项。（F F）电化学体系阻抗谱测量的特殊性电化学体系阻抗谱测量的特殊性 就测量原理而言，在电化学中测量电极体系的阻抗谱与在电子学中测量电子部件的阻抗谱并没有本质区别。通常，我们希望获得电极体系处于某一状态时的电化学阻抗谱。而维持电极体系的状态，须使电极电位保持不变。通常认为，电极电位变化 50mV 以上将会破坏现有的状态。因此，在电化学阻抗谱测量中，必须注意两个关键点，即：偏置电位和正弦交流信号幅度。