交流阻抗的原理与应用

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1、交流阻抗的原理及应用-测聚苯胺修饰电极的电化学性能一、实验目的(1)掌握交流阻抗法(EIS)的实验原理及方法。(2)了解Nyquist图和Bode图的意义。(3)学会用Zsimpwin软件对实验数据进行拟合。二、实验原理交流阻抗法（alternatingcurrentimpedance，ACimpedance）阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法,引用到研究电极过程,成为电化学研究中的一种实验方法。控制通过电化学系统的电流或电势在小振幅的条件下随时间按正弦规律变化，同时测量相应的系统电势或电流随时间的变化，此时电极系统的频响函数就是电化学阻抗。通过阻抗可

2、以分析电化学系统的反应机理、计算系统的相关参数。交流阻抗法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号，益加在外加直流电压上，并作用于电解池，通过测童系统在较宽频率范围的阻抗谱，获得研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息的电化学测量方法。对于一个电解池系统，当在电极两端施加一定电压时，阴阳极会构成一个回路，在这个回路中，电子和离子的传递受到一定的阻力的作用，包括：溶液的阻力，电极的阻力。而这些阻力正好可以用电阻R进行表征。再者，在电极和溶液界面上，两相中的剩余电荷会引起静电相互作用，以及电极表面与溶液中的各种粒子（溶剂分子、溶剂化了的离子和分子等）的相互作用。复数阻抗的测

3、量是以复数形式给出电极在一系列频率下的阻抗，不仅能给出阻抗的绝对值，还可给出相位角，可为研究电极提供较丰富的信息。对于一个纯粹电化学控制的电极体系，可等效成如图2一1所示的电路。图2一1测试电池的等效电路图2一1中，Re为溶液电阻，CP为电极/溶液的双电层电容,RP为电极电阻。此等效电路的总阻抗为:其中，实部是虚部是对于每一个w值，都有相应的Z’与Z’’，在复数阻抗平面内表示为一个点连接各w的阻抗点，得到一条曲线，成为复数阻抗曲线，如图2一2所示。当w→∞时，半圆与Z’轴的交点即为电解质溶液的电阻Re；当W→0时，半圆与Z，轴的交点即为Re十Rp。一般情况下，电解质溶液的电阻

4、Re，可忽略，因此，根据半圆与Z’轴的交点即可求得电极体系的电阻Rp；当w=wxax为半圆最高点的角频率)时，据公式q可求得电极/溶液的双电层电容Cp。三、仪器、用具和材料仪器：CHI电化学工作站1台。用具：甘汞电极（参比电极）1只；铂丝电极(辅助电极，又叫对电极)只；铂盘电极（工作电极）1只；烧杯(25ml，用作电解池)1个；固定支架1个。材料：0.1mol/L苯胺和1mol/L硫酸的混合溶液；0.5mol/L的硫酸溶液；0.1mol/L的KCl；5mmol/L的K3[Fe(CN)6]；5mmol/L的K4[Fe(CN)6]。四、实验步骤(l)将铂盘电极在抛光布上用0.05

5、μm的α-Al2O3进行抛光，并依此在丙酮、水中超声各2min。将预处理好的铂盘电极放人电解池，将0.5mol/LH2SO4溶液作为电解液加人电解池，连接好测量线路(一般红色夹头接对电极，白色夹头接参比电极，绿色夹头接工作电极)。(2)依次打开电化学工作站、计算机、显示器等电源，并启动CHI软件。(3)在电化学工作站上对铂盘电极进行硫酸预处理。在“Setup”菜单中执行“Technique”命令，在显示的对话框中选择“CyclicVotammetry”进人参数设置界面(如未出现参数设置界面，再执行“Setup”菜单中的“Parameters”命令进人参数设置界面)。参数设置如

6、下图所示：InitE(V)：-0.28；HighE(V)：1.4；LowE(V)：-0.28；FinalE(V)：1.4；InitialScan:Positive；ScanRate(V/s)：0.1；SweepSegments：20；SampleInterval：0.001；QuietTime(Sec)：2；Sensitivity(A/V)：1.e-004。执行“Control”菜单中的“RunExperiment”命令，开始硫酸预处理实验。（4）铂盘电极预处理后，用双蒸水冲洗干净，放入恒温箱中在不超过60℃下干燥；待电极表面完全干燥后，以苯胺溶液为电解液，连接好电路进行电聚

7、合，通过改变聚合圈数可以在铂盘电极上得到不同厚度的聚苯胺。20圈30圈40圈参数设置如下图所示：InitE(V)：-0.2；HighE(V)：0.8；LowE(V)：-0.2；FinalE(V)：0.8；InitialScan:Positive；ScanRate(V/s)：0.1；SweepSegments：40；SampleInterval：0.001；QuietTime(Sec)：2；Sensitivity(A/V)：1.e-004。（5）将修饰好的铂盘电极放人电解池，将5mmol·L-1[Fe(C