电化学阻抗.ppt

3.电化学中的交流阻抗谱图 3.1 电路描述码 我们对电学元件、等效元件，已经用符号RC、RL或RQ表示了R与C、L或Q串联组成的复合元件，用符号 (RC) 、(RL) 或(RQ)表示了R与C、L或Q并联组成的复合元件。现在将这种表示方法推广成为描述整个复杂等效电路的方法， 即形成电路描述码 (Circuit Description Code, 简写为CDC)。规则如下： * * 电化学阻抗研究方法 1、电化学阻抗概念及相关知识介绍 2、电工学中简单电路的交流阻抗谱图 3、电化学中的交流阻抗谱图 4、电化学阻抗谱的应用 1.1 电化学阻抗法： 电化学阻抗法是电化学测量的重要方法之一。 以小振幅的正弦波电势(或电流)为扰动信号，使电极系统产生近似线性关系 的响应，测量电极系统在很宽频率范围的阻抗谱，以此来研究电极系统的方 法就是电化学阻抗谱(EIS)，又称交流阻抗法(AC Impedance)。 特点： (1)由于使用小幅度(一般小于10 mV)对称交流电对电极进行极化，当频率足 够高时，每半周期持续时间很短，不会引起严重的浓差极化及表面状态变化。 在电极上交替进行着阴极过程与阳极过程，同样不会引起极化的积累性发展， 避免对体系产生过大的影响。 (2)由于可以在很宽频率范围内测量得到阻抗谱， 因而与其它常规的电化学方 法相比，能得到更多电极过程动力学信息和电极界面结构信息。 1.电化学阻抗概念及相关知识介绍 1.2 电化学阻抗谱基础知识： 复数 电化学阻抗为向量(即矢量)， 因此常写成复数形式。复数由实部和虚部组成。电化学阻抗Z的复数形式为： Z=Z‘ +jZ” 其中，Z’ 为阻抗Z的实部，Z‘’为其虚部，j为虚数单位，j= 复数的模 复数的大小称为复数的模，电化学阻抗的模IzI表示为：IZI= 复数的辐角(即相位角) 复数矢量与实轴的夹角 φ称为复数的辐角， 电化学阻抗的相位角 φ表示 为:φ= 虚数单位乘方 复数的坐标表示法: 任何一个复数都可以用复平面上的一个点来表示。复平面的横坐标是实数轴，以实数1为标度单位，纵坐标为虚数轴，以虚数单位j为标度单位。在以Z’为横坐标，Z’’为纵坐标的复平面上，电化学阻抗z对应的点如图1所示。 图1 复数的坐标表示法 复数的三角表示法 即Z=|Z|(cos φ+jsin φ)，，这就是复数Z的三角函数表示式。 1.3 电解池的等效电路： 在正弦波信号通过电解池时，可以把双电层等效地看作电容器，把电极、溶液及电极反应所引起的阻力看成电阻。因此整个电解池的阻抗可分为如图2所示的几个部分。 图2 电解池阻抗的等效电路 其中ZF、Cd分别表示研究电极界面的法拉第阻抗和双电层电容，R 表示溶液电阻。 和a表示辅助电极界面的法拉第阻抗和双电层电容。若采用大的辅助电 极，则电解池阻抗的等效电路可简化成图3。 图3 采用大面积辅助电极时电解池的等效电路 图3表示，当对一个电极系统进行电势扰动时，流经电极系统的电流分成两部分：一部分用于对双电层电容充电，即非法拉第电流；另一部分直接用于电极反应，且服从法拉第定律，称为法拉第电流。相应于法拉第电流的阻抗叫做法拉第阻抗，用ZF表示。 若把除扩散阻抗Zw以外的所有电极反应的电阻称为极化电阻Rp，则有： ZF=Rp+Zw 阻抗：在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍 电流的流动，这种作用就称之为电抗。电容及电感的电抗分别称作电容抗及 电感抗，简称容抗及感抗。其值的大小和交流电的频率有关系，频率愈高则 容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗 还有相位角度的问题，具有向量上的关系式。综上所述：阻抗是电阻与电抗 在向量上的和，用Z表示。 导纳：阻抗的倒数，用Y表示。 Y’ Y’’ θ Z’ Z’’ θ 交流阻抗Z的复平面表示 交流导纳Y的复平面表示 |Z| |Y| 2.电工学中简单电路的交流阻抗谱图 阻抗的大小： 阻抗Z是电路元件对电流的阻碍作用和移相作用的反映。 对于纯电阻电路，其阻抗就是电阻 R：ZR=R 对于纯电感电路，其阻抗为：ZL=jXL=jωL 对于纯电容电路，其阻抗为：Zc=-jXc=-j/ωC 复阻抗的串联： 当电路中有多个元件串联时，总的复阻抗等于各串联复阻抗的和。例如一个电阻 、一个电感L和一个电容C串联时，总复阻抗z为: 复阻抗的并联： 几个复阻抗并联时，总复阻抗的倒数(即总的导纳)等于各并联复阻抗的倒数和(即各元件导纳之和)。 例如一个电阻R、一个电感L和一个电容C并联时，总复阻抗的倒数 为： 简单元件：电阻、电容和电感 电阻R：阻抗Z为 Z‘=R，Z’‘=0， |Z|= R ，θ=0