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东华分析——DH7000电化学工作站控制电位EIS方法介绍

发布时间:2022-06-23    浏览量:291

基本定义

对于一个稳定的线性系统M,如以一个角频率为ω的正弦波电压信号X为激励信号(亦称作扰动信号)输入该测试体系,则相应地从该系统输出一个角频率也是ω的正弦波电流信号Y,Y即是响应信号。

一个电极体系在小幅度的扰动信号作用下,各种动力学过程的响应与扰动信号之间呈线性关系,可以把每个动力学过程用电学上的一个线性元件或几个线性元件的组合来表示。如电荷转移过程可以用一个电阻来表示,双电层充放电过程用一个电容的充放电过程来表示。这样就把电化学动力学过程用一个等效电路来描述,通过对电极系统的扰动响应求得等效电路各元件的数值,从而推断电极体系的反应机理。

激励信号

基本信号特征

本实验方法是通过对测试体系施加正弦(ac)电压信号,然后测量响应电压以及电压和电流之间的相位漂移来获得阻抗(Z)的一项技术;该方法是从开始频率到结束频率点进行一系列的阻抗测量。

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控制电位EIS的激励信号

关键参数及一般应用范围

【AC属性】

  • 开始频率范围:10-5~106 Hz;截止频率范围:10-5~106 Hz;

  • 振幅(RMS):0.1mV~1V,结合具体体系以及仪器精度选择合理的振幅。

【DC属性】

  • Step or Scan:Step模式与Scan模式;

  • Step模式:电位--范围-10~10V,vs. Ref/OC;一般为确保体系处于稳态状态,可选择0.0V vs. OC;

  • Scan模式:最初电位(-10~10V之间选择),最终电位(-10~10V之间选择),vs. Ref/OC;扫描速率(0~6000V/s),为确保体系处于稳态,扫描速率应足够慢。

【扫描属性】

  • 点间距:对数/线性,工作站默认为对数;

  • 每十进间距点数:1~100,工作站默认选10,表示每十进位之间给出10个扫描频率点;

  • 数据质量:是交流阻抗方法的一个变量。此变量所输入的值与数据采集和数据平均有关,用以提高数据质量。此变量设置为3时,表示采集三次循环的数据并将其平均的值作为结果。 注意:增加此变量将直接增加总实验时间,设置为3时,其总时间为设置为1时的3倍。默认值为1.

  • 数据延迟:范围0~1000s,默认值为0。

研究体系及实验曲线

纽扣电池(型号2032)

两电极体系:WE-正极,RE+CE-负极。

参数:

  • 起始频率100KHz,截止频率0.1Hz,振幅(RMS)0.01V;

  • step模式,0.0V vs. OC;

  • 点间距--对数,每十进间距点数--10,数据质量--1,数据延迟--0;

  • 仪器属性均为自动。

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纽扣电池的控制电位EIS谱图

南孚无汞碱性电池(5号)

两电极体系:WE-正极,RE+CE-负极。

参数:

  • 开始频率1KHz,结束频率0.1Hz,振幅(RMS)0.01V;

  • step模式,0.0 V vs. OC;

  • 点间距--对数,每十进间距点数--10,数据质量--1,数据延迟--0;

  • 仪器属性均为自动。

10 μL壳聚糖/多壁碳纳米管修饰玻碳电极

三电极体系:WE-修饰玻碳电极,RE-SCE,CE-Pt。

电解质:1mM K3[Fe(CN)6]+1M KCl。

参数:

  • 开始频率10KHz,结束频率0.1Hz,振幅(RMS)0.015V;

  • step模式,0.0V vs. OC;

  • 点间距--对数,每十进间距点数--10,数据质量--1,数据延迟--0;

  • 仪器属性均为自动。

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修饰电极的控制电位EIS谱图

腐蚀体系

三电极体系:WE-Cu棒(腐蚀两周),RE-SCE,CE-Pt。

电解质:3.5 wt% NaCl溶液。

参数:

  • 开始频率10KHz,结束频率0.01Hz,振幅(RMS)0.015V;

  • step模式,0.0V vs. OC;

  • 点间距--对数,每十进间距点数--10,数据质量--1,数据延迟--0;

  • 仪器属性均为自动。

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腐蚀体系的控制电位EIS谱图

其它应用领域

控制电位EIS方法还可应用于金属材料腐蚀与防护研究方面,如金属材料钝化膜的形成与破坏的研究、金属材料腐蚀的产物形成和腐蚀行为的研究等;在金属聚合物复合材料方面研究的应用,如研究有机涂层体系的降解失效过程、有机涂层的防腐蚀效果以及有机涂层中的离子扩散等;在免疫生物传感器、DNA生物传感器、酶传感器等方面的应用。


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