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学术干货 | 带你揭开电化学阻抗谱的面纱
Ahenn 6年前 (2016-06-11) 53985浏览
交流阻抗法（alternating current impedance, AC impedance）是指控制通过电化学系统的电流（或电势）为小幅度正弦交流信号，同时测量相应的系统电势（或电流）随时间的变化，或者直接测量系统的交流阻抗（或导纳），进而分析电化学系统的反应机理、计算系统的相关参数。
它包括两种技术：电化学阻抗谱和交流伏安法。在这里，我们重点来谈谈电化学阻抗谱。
电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）是在某一直流极化条件下，特别是在平衡电势条件下，研究电化学系统的交流阻抗随频率的变化关系。
一、电化学阻抗谱的测试原理：
如果扰动信号是一个小幅度的正弦波电信号，那么响应信号通常也是一个同频率的正弦波电信号，此时传输函数G (ω)被称为频率响应函数或简称为频响函数。
Y (响应信号)=G (ω) X (激励信号)
若：X为正弦交流电流信号；Y为正弦交流电势信号； G (ω) 为阻抗（impedance）, 用Z表示。
若：X为正弦交流电势信号；Y为正弦交流电流信号； G (ω) 为导纳（admittance）, 用Y表示。
Z, Y合称为阻纳（immittance），用G来表示。
电化学阻抗为矢量，常写成复数形式，复数是由实部和虚部构成的。
电化学阻抗Z写成复数为：Z=Z'+ jZ''
复阻抗Z是电路元件对电流的阻碍作用和移相作用的反应。
图1 阻抗的表示方法
要保证测量的频响函数有意义，保证X, Y是同一频率的正弦波信号，需满足三个基本条件。
二、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：扰动信号与响应信号是具有同一角频率的正弦波信号。
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。
三、电化学阻抗谱的种类
电化学阻抗谱包括许多不同的种类，其中最常用的是阻抗复平面图和阻抗波特图。以理想极化电极为例，分析它的阻抗复平面图和阻抗波特图。
1. 阻抗复平面图【能奎斯特图(Nyquist plot)】是以阻抗的实部为横轴，以阻抗的虚部为纵轴绘制的曲线。
图2 理想极化电极的等效电路图
理想极化电极的电化学反应电流→0,电化学反应电阻无穷大而在等效电路中处于断路状态,等效电路只由溶液电阻和双电层电容串联组成。
图3 理想极化电极电化学阻抗的复平面图
在图3中，Z’为常数RL，而Z''随ω（频率）而增大，ω越大，Z''越小。
Imp：
RC、RL、RQ表示了R与C、L或Q串联成的复合元件。
(RC)、(RL)、(RQ)表示了R与C、L或Q并联成的复合元件。
2. 阻抗波特图(Bode plot)由两条曲线组成。一条曲线描述阻抗的模随频率的变化关系，称为Bode模图；另一条曲线描述阻抗的相位角随频率的变化关系，称为Bode相图。通常，Bode模图和Bode相图要同时给出，才能完整描述阻抗特征。
图4 理想极化电极电化学阻抗的lg|Z|-lgω图
图5 理想极化电极电化学阻抗的Φ-lgω图
四、用EIS研究一个电化学系统的基本思路
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