最新最全的电化学阻抗谱EIS

一、基本知识

1. 概念

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，简写为 EIS)又叫交流阻抗谱，在电化学工作站测试中叫做交流阻抗(AC Impedance)。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，成了电化学研究中的一种实验方法，在三电极系统下，测量工作电极的阻抗。

常见的电化学阻抗谱有两种一种叫做奈奎斯特图（Nyquist plot），一种叫作波特图（Bode plot）；还有一种相位图；

奈奎斯特图和波特图是论文中经常出现的图；

相位图在电化学测试过程中会出现，类似电极反应过程中阻抗变化图，常用于分析等效电路的构成，判断阻抗、电容等元件。

奈奎斯图和波特图

相位图

2. 基本理论

当电极系统受到一个正弦波形电压(电流)的交流讯号的扰动时，会产生一个相应的电流(电压)响应讯号，由这些讯号可以得到电极的阻抗或导纳。一系列频率的正弦波讯号产生的阻抗频谱，称为电化学阻抗谱。

注释将电化学系统抽象作一个电路模型，这个等效电路就是由电阻（R）、电感（L）、电容（C）等基本元件按照串联或并联等不同方式组合而成，利用EIS可以测定等效电路的构成以及各个元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的构成和电极反应过程的性质等。

3. 等效电路

等效电路图示例

电化学阻抗谱和插图中的等效电路图

等效电路元件

符合——名称——导纳——电阻

R ——电阻—— 1/R —— R

C ——电容—— jwC —— 1/jwC

L ——电感—— 1/jwL —— jwL

W ——无限扩散阻抗—— Y_{o}\sqrt{(jw)} —— 1/Y_{o}\sqrt{(jw)}

O ——有限扩散阻抗—— Y_{o}\sqrt{(jw)}Coth(B\sqrt{(jw)}) —— Tanh(B\sqrt{(jw)})/Y_{o}\sqrt{(jw)}

Q ——常相角元件—— Y_{o}(jw)^{a} —— 1/Y_{o}(jw)^{a}

物理参数

溶液电阻 (R_{s}) 工作电极和对电极之间的电解质之间的阻抗；

电荷转移电阻 (R_{ct}) 电化学反应动力学控制；

双电层电容 (C_{dl}) 工作电极于电解质之间电容；

极化电阻 (R_{p}) 当电位远离开路电位时，导致电极表面电流产生，电流受到反应动力学和反应物扩散的控制；

扩散阻抗 (Z_{w}) 反应物从溶液本体扩散到电极反应界面的阻抗；

界面电容 (C) 通常每一个界面之间都会存在一个电容；

常相角元件（CPE） (Q) 、无限扩散阻抗 (W)、有限扩散阻抗 (O)、电感 (L) 等...

PS

R_{p}\approx R_{ct}+Z_{w} ，但 R_{p}\ne R_{ct}+Z_{w} ；

极化电阻通过极化曲线也可以得到（腐蚀电位出切线的斜率）。

二、方法应用

1. 使用方法

使用电化学工作站进行交流阻抗谱的测量（需要用到的软件CHI 660e）；

2. 数据处理

通过使用Zview和ZSimDemo两款软件对交流阻抗数据进行拟合，得到拟合数据和等效电路图。