交流阻抗实验报告模板

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1、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日期 2011.07北京理工大学实验室设备处 制2一、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

2、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 K3Fe(CN)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(A.R.)、K

3、NO 3(A.R.)和 K3Fe(CN)6(A.R.)电极：金电极、铂片电极、饱和甘汞电极3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 K3Fe(CN)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 K3Fe(CN)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4一 、 基 本 原 理电 化 学 阻 抗 谱 (electroche

4、mical 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

5、 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 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

6、 液 界 面 电 荷 相 对 应 的 阻 抗 ） 。 为 了 研 究 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 k 较

7、 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 。图 1-1 (a)工 作 电 极 的 等 效 电 路 ； (b) 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 ，

8、在 复 平 面 上 进 行 分 析 。 在 低 频 极 限 即 0 时 ， Z对 Z 图 是 一 条 幅 角 为 /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（a） 5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-2Cd2（ 与 扩 散 系 数 、 反 应 物 浓 度 等 有 关 ） 。 在 高 频 极 限 下 ， 即 时 ， Z与 Z 的 关 系

9、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 时 ， Cd 对 阻 抗 的 贡 献 1/Cd趋 于 零 ， 因 此 总 阻 抗 只 剩 Rs， 这 是 半 圆 与 实 轴 Z 的 左 交 点 ， 当 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

10、Z 轴 的 右 交 点 。 还 可根 据 半 圆 最 高 点 处 的 值 ， h， 利 用 公 式 Cd=1/Rcth， 求 出 Cd。图 1-2 低 频 区 交 流 阻 抗 的 复 平 面 图 图 1-3 无 扩 散 阻 抗 时 的 交 流 阻 抗 的 复 平 面 图二、实验方法将金电极（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 K3Fe(CN)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。三、结果与讨论1. 在 H2SO4 溶液中，金电极活化后第一次测量阻

11、抗增大，第二次阻抗减小，之后的五次略有增大：6这可能是因为活化后第一次测量前电极上还留有氢气和氧气，而测量后气体脱离电极，进入溶液中，其中一小部分留在双电层中，增大了双电层的电容。2. 在 H2SO4 溶液中，铂片电极用 H2SO4 溶液活化后第一次测量阻抗显著减小，之后的六次略有减小：7这可能是因为活化前电极上有 Fe(CN)6 3-，活化后 Fe(CN)6 3-从电极上脱附，从而减小了电极的法拉第阻抗，故活化可增强铂片电极导电性。综合 1、2 可知，在 H2SO4 溶液中，活化前铂片电极阻抗比金电极阻抗大很多，活化后差距减小，两种电极的阻抗都比活化前小。由此可见，活化均能使两种电极导电性增

12、强。3. 在 KNO3 溶液中，金电极阻抗无较大变化：8这是因为整个研究系统比较稳定，界面阻抗基本无变化。4. 在 KNO3 溶液中，铂片电极阻抗随测量次数增多而略有增大：这可能是因为溶液中双电层的结构发生了变化，导致双电层电容增大。综合 3、4 可知，在 KNO3 溶液中，铂片电极的阻抗比金电极阻抗稍大一些，且铂片电极双电层电容会增大，而金电极双电层电容基本不变。由此可见，铂片电极导电性不如金电极好。5. 在 K3Fe(CN)6溶液中，一开始金电极的阻抗谱由半圆构成，说明电极过程由动力学控制，从第四次测量开始，金电极的阻抗谱由半圆和直线共同构成，在高频区为界面电荷转移动力学(Rct)控制的半

13、圆形，极低频率区为扩散 (Zw)控制的直线，介于两者之间的部分为混合控制区，电极过程由动力学和扩散共同控制：9谱线中的半圆形是不标准的，这是由于浓差极化引起的阻抗半圆的畸变，半圆畸变的程度决定于 Rct、和 Cd 的相对值，若 Rct 和 不变， Cd 增大将引起半圆更严重的畸变，这导致测定 Cd 和 Rct 的误差增大。同时还常出现阻抗半圆向下压扁的现象，如在 Pt，Pd，Au，和 Ni 等金属上氧析出反应的阻抗，一般认为与电极/电解液界面双电层的性质有关，如电极表面粗糙引起双电层中电场分布不均匀等。6. 在 K3Fe(CN)6溶液中，铂片电极的阻抗谱由半圆和直线共同构成，在高频区为界面电荷

14、转移动力学(Rct)控制的半圆形，极低频率区为扩散 (Zw)控制的直线，介于两者之间的部分为混合控制区，电极过程由动力学和扩散共同控制：10谱线中的半圆形也是不标准的，但多次扫描谱线相差不大。这说明 Fe(CN)63-基本没有修饰到电极上。综合 5、6 可知，在 K3Fe(CN)6溶液中，Fe(CN) 63-修饰到铂片电极上很难，而修饰到金电极上却很容易。从这个角度来看，金电极比铂片电极好。7. 金电极经过修饰 Fe(CN)6 3-后，其阻抗谱基本无变化，重现性很好：11这说明修饰电极很稳定，且由谱线的形状可知电极过程由动力学和扩散共同控制。总结通过对比电极得到的结论：1. 在 H2SO4 溶

15、液中 ，活化均能使两种电极导电性增强；2. 在 KNO3 溶液中，铂片电极导电性不如金电极好；3. 在 K3Fe(CN)6溶液中，Fe(CN) 63-修饰到铂片电极上很难，而修饰到金电极上却很容易，且修饰电极很稳定。12三、参加开放实验的体会与建议转眼间，大学生活已经过去将近两年了。开放实验作为一门开拓视野、提升能力的课程，让我印象深刻、受益匪浅。通过这次对交流阻抗的学习和研究，我又一次感受到了化学的奇妙，而这离不开电化学工作站和计算机的帮助，是学科的相互促进使它们发展得更快。交流阻抗法是电化学暂态技术的一种，从某种程度上来说，它打开了电极微观领域研究的大门，因为它比其他常规的电化学方法能得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。虽然实验过程非常简单，但我还是能够学到很多，可见交流阻抗所包含的内容是很丰富的。从一开始的毫无头绪到略知一二，再到逐渐领悟，这个过程是我最喜欢的。也许，不断探索、不断超越就是开放实验的真谛。金电极在 K3Fe(CN)6溶液中的谱线分析是本实验的一个亮点，但铂电极在 KNO3 溶液中的交流阻抗还需要进一步的研究和讨论，这便体现了不断探索、不断超越的思想。实验中，同学之间的互相配合是少不了的，和他们一起做实验总是能感受到无比的快乐。最后，感谢吕老师对我无私的帮助与支持，相信这次开放实验会是我大学生活中的一笔宝贵财富！13四、评价与认定指导教师评价意