交流阻抗实验报告模板.doc

开放实验总结报告
学生姓名班级学号.
所在院系基础教育学院专业化学.
开放实验室名称良乡校区化学教学实验中心物理化学实验室

北京理工大学实验室设备处制
一、实验项目概况
开放实验题目:测定金和铂电极交流阻抗谱研究电荷传输性能(良乡校区)
实验题目类型: √参与科研□科技活动□自选实验□素质培养
指导教师及实验技术人员姓名:吕桂琴郑传明
实验项目起止日期:2011年3月——2011年7月
利用何种时间段开展实验:周三13:00-17:50,18:40-21:30
开展实验的累计总学时数:48
实验项目基本原理:
运用电化学工作站,分别以金电极和铂电极作为工作电极,与参比电极和辅助电极构成电化学系统,测定金电极和铂电极在不同电解质溶液中的交流阻抗谱,通过对比谱图研究电极在金属和溶液异相界面的电荷传输性能。
实验项目的实验方法概述:
将金电极(工作电极)、铂片电极、饱和甘汞电极组成三电极体系,分别放入新配制的H2SO4溶液、KNO3溶液和K3[)6]溶液中,用电化学工作站测其交流阻抗谱;将金电极活化、修饰,测其交流阻抗谱;将工作电极换为铂片电极,测其交流阻抗谱。
实验项目的仪器设备组成情况:
玻璃仪器:烧杯、容量瓶、玻璃棒
研究装置:金电极、铂片电极、饱和甘汞电极
研究仪器:CHI604C电化学工作站
实验项目的消耗材料明细:
试剂:浓H2SO4(.)、KNO3(.)和K3[)6](.)
电极:金电极、铂片电极、饱和甘汞电极
实验项目的主要结论:
在H2SO4溶液中金电极活化后,第一次测量阻抗增大,第二次阻抗减小,之后的五次略有增大;铂片电极活化后,第一次测量阻抗显著减小,之后的六次略有减小;金电极修饰K3[)6]后,其阻抗谱基本无变化,重现性很好。在KNO3溶液中,金电极阻抗无较大变化,铂片电极阻抗随测量次数增多而略有增大。在K3[)6]溶液中,金电极的阻抗谱由半圆和直线共同构成,电极过程由动力学和扩散共同控制。
二、实验项目技术报告
一、基本原理
电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,简写为EIS)又称交流阻抗,其方法是用小幅度交流信号扰动电解池,观察体系在稳态时对扰动跟随的情况。交流阻抗法已成为研究电极过程动力学以及电极界面现象的重要手段。交流阻抗法以测得的很宽频率范围内的阻抗频谱来研究电极系统,比其它常规电化学方法得到更多的有关动力学和界面结构的信息。
交流阻抗法把电极体系用等效电路予以描述。在施加小振幅的正弦波激发信号时,电极体系可以用一系列的复阻抗元件的串联和并联组合成该电极(或电池)的等效电路,如图1-1:其中Rs表示从参比电极到研究电极间的溶液电阻,并联电路的电容Cd和阻抗Zf表示电极与电解质溶液两相间的双电层电容和电极过程的法拉第阻抗(与电极反应时电极/溶液界面电荷相对应的阻抗)。为了研究Zf与动力学参数间的关系,将法拉第阻抗分解为Rct和Zw的串联,Rct是电荷传递电阻,表示电极过程中电荷穿过电极和电解质溶液两相界面转移的难易程度,Rct与电路的电流i0有如下关系:Rct=1/nfi0=RT/nFi0,电荷传递电阻Rct与电路的电流i0成反比,对于i0较大的反应,即对于标准速率系数kθ较大的反应,Rct较小;反之,当i0较小时,Rct较大。所以Rct也可表示反应进行的快慢。Zw被认为是与扩散有关的阻抗即离子由电解质向电极表面扩散的电阻,称为Warburg阻抗。
(a)
图1-1 (a)工作电极的等效电路; (b) Zf的分解组分
根据图1-1等效电路,电极总交流阻抗Z的实部Z'和虚部Z″与等效电路各参数的关系,借助交流阻抗的复数表示,在复平面上进行分析。在低频极限即ω→0时,Z″对Z'图是一条幅角为π/4的直线(如图1-2),这个阻抗即为Warburg阻抗Zw,表明电极过程是受扩散控制的,Z″和Z'均随频率的增加而减小,Z″与Z'的线性关系逐渐偏离,
Z″对Z'图的直线部分外推到Z'轴的截距为Rs+Rct-2Cdσ2(σ与扩散系数、反应物浓度等有关)。在高频极限下,即ω→∞时,Z″与Z'的关系形成一个圆心在(Rs+1/2Rct,0),半径为1/2Rct的上半圆,如图1-3所示,Z″的来源是双电层电容Cd,当ω→∞时,Cd对阻抗的贡献1/ωCd趋于零,因此总阻抗只剩Rs,这是半圆与实轴Z'的左交点,当ω从极高频率逐渐降低时,Z″逐渐增大,但当降到一定值时,Cd又会产生很大容抗,致使测量阻抗时表现为类似断路,总阻抗表现为Rs+Rct,此即半圆与Z'轴的右交点。还可根据半圆最高点处的ω值,ωh,利用公式Cd=1/Rctωh,求出Cd。
图1-2低频区交流阻抗的