交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合

一、概念介绍

    电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简写为 EIS),早期的电化学文献中称为交流阻抗(AC Impedance)。电化学阻抗谱方法是一种频率域的测量方法,它以测量一定频率范围的阻抗谱来研究电极系统,因而能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息EIS测试在电化学研究中是必不可少的,接下来我们以电催化析氧反应为例展开讲述。

    在电催化析氧反应中,研究者通常基于恒电位下测得的电化学阻抗谱来研究催化材料在电催化反应过程中电荷传递情况(阻抗的大小和电子转移效率的高低)。此外还可以通过比较稳定性测试前后电化学阻抗谱的变化来辅助评价催化剂活性的稳定。

应用实例:

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合  图1 不同催化剂的(a)线性伏安曲线、(b)塔菲尔曲线和(c)电化学阻抗谱和(d)对应的等效电路图 。[1]

    有研究者[1]制备出单金属铁基催化剂Fe/Fe3C–F@CNT展现出优异的电催化活性(高的极化电流(图1a)和小的塔菲尔斜率(图1b))。进一步通过电化学阻抗谱测试发现,Fe/Fe3C–F@CNT在催化反应过程中展现出最小的阻值(阻值大小可以通过形成圆弧半径的大小粗略估计,半径越大阻值越大)。这说明Fe/Fe3C–F@CNT具有最优的电子传输效率,这也是该材料展现出优异催化活性的一个重要原因

    图1d为析氧催化反应中,恒电位下常见的拟合等效电路图,Rs表示外电路的总阻值(包括液接电阻和外电路产生的电阻总和)。Rct表示催化反应过程中产生的电荷转移阻抗。Rct是分析不同催化材料催化活性的重要参数。

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图2 催化剂稳定性测试和稳定性测试前后在不同电位下的电化学阻抗谱比较。[2]

    此外,还有研究者[2]制备Co–Fe–phy双金属催化剂,在进行析氧反应稳定性测试后又测试了该材料在不同电位下的电化学阻抗谱。通过稳定性测试发现该材料即使经历长时间的催化反应后仍能保持较高的催化活性。这个结果也通过稳定性测试前后在不同电位下电化学阻抗谱的对比得到了验证(稳定性测试前后图谱变化较小)。

二、详细拟合过程

2.1 处理电化学阻抗谱的准备工作

    在电催化析氧反应催化活性的评价中,测量电化学阻抗谱的频率范围一般选取100000 – 0.01 Hz,通常采用恒电位测试的方法。电位一般选择开始发生极化反应附近的电压。电压太低,催化反应还没发生测得的电化学阻抗谱反应不了催化反应过程中催化材料中电子转移的特点。电压过高,催化反应剧烈气泡较多会导致测得的点较乱,会增大数据处理的误差。(具体点位往往根据实际需要可自行调整)。

2.2拟合电化学阻抗谱较为简单的方法:基于瑞士万通公司的Nova软件进行拟合。(因为讲的很详细 图比较多,真正操作起来非常便捷)

2.2.1获取并简单整理数据

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图3

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图4

2.2.2基于Nova软件拟合数据

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图5

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图6

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图7

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图8

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图9

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图10

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图11

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合 图12

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图13

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图14

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图15

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图16

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图17

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图18

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图19

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图20

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合 图21

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图22

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图23

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图24

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图25

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图26

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图27

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图28

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图29

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图30

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图31

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图32

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图33

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图34

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图35

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图36

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图37

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图38

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图39

交流阻抗测试及利用NOVA进行等效电路拟合图40

三、参考文献

  1. J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 21577–21584
  2. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15888–15895

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