电化学阻抗谱
来源：Kara Ingraham、Jared McCutchen 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城
电阻是电路元件阻碍电流流动的能力。电阻由欧姆定律定义：
(公式 1)
其中 
为电压，
为电流。欧姆定律可用于确定理想电阻器的电阻。然而，许多电路元件更为…
- 获取一个测试模块，并通过两个电极将其连接到电化学阻抗谱（EIS）仪器上。如图3所示，该测试模块可提供用于模拟一个简单且已知电路的数据。它可用于确认导线是否正确连接至仪器，以及所有设备部件是否正常工作。
图 3：测试模块。
- 要开始对样品通电流，请在计算机上打开 Zplot 软件。通过该软件可根据需要设置样品的参数。在对测试模块进行测试时，在“Polarization”（极化）部分，将直流电位设为 0，交流振幅设为 10 mV，并确保下拉箭头显示为“vs. Open Circuit”（相对于开路电位）。在“Frequency sweep”（频率扫描）部分，将初始频率设为 1×10⁶ Hz，终止频率设为 100 Hz，间隔设为 10。同时选择“logarithmic”（对数）和“Steps/Decade”（每十倍频程步数）。然后点击“okay”以开始新的测量。
- 打开 Zview 软件以查看结果。选择 z' 和 z'' 进行绘图。结果将显示在负轴上——若要将其显示在正轴上，需乘以 -1。点击“measure”（测量），然后点击“sweep”（扫描），以获取测得的 z' 和 z'' 值。将这些实测值与测试模块正面标注的预期值进行比较，如图 2所示。如果数值匹配，则继续进行第 4 步；如果不匹配，请检查所有接线和设备，确保所有连接正确且设备正常工作。
- 将电极从测试模块上拆下。
- 准备样品；作为演示，我们将使用一种市售的 β-氧化铝，并将其放入图 4所示的组装装置中。将此组件插入位于通风橱内的管式炉中。该装置是必要的，因为电化学阻抗谱（EIS）测试通常需要在一定时间范围内改变振幅（或电压）和温度。为简化实验，本实验仅在室温下进行。
图 4：样品将被插入的组装装置。
- 按照图5所示，将电极连接到组件上。
图 5：在通风橱中组装样品，并连接电极。
- 打开 Zplot 软件并设置参数。本实验的参数应与步骤 2 中的设置相同。
- 使用与步骤 3 相同的程序获取图谱（但无需将 z' 和 z'' 值与测试模块进行比较）。保存图谱。
- 点击“instant fit”按钮，选择两个点以拟合半圆。使用软件选择最佳的等效电路模型。
电化学阻抗谱是一种强大的技术，用于根据材料在阻碍电流流动方面的特性来表征材料，其应用范围广泛，涵盖微生物学和抗腐蚀性等领域。样品的电导率取决于样品中所有组分的构成。因此，电化学阻抗谱也可用于检测各个组分在数量或结构上的变化。该技术通过在连接到样品的电极两端施加小幅度的正弦电信号，并在很宽的频率范围内进行测量来实现。根据测得的响应，计算出每个频率下的阻抗值。然后使用计算机软件绘制结果，并建立一个能够代表观测数据的等效电路模型。使用电化学阻抗谱的典型目标是将样品的总电学阻抗分解为来自电阻、电容或电感等机制的贡献。本视频将阐述电化学阻抗谱的基本原理和操作步骤，以测定材料的阻抗，并演示如何构建样品的等效电路模型。
电阻是电路元件阻碍电流流动的能力。欧姆定律将电阻定义为电压与电流的比值。然而，在处理交流电流时，电学阻抗是对阻碍电流流动能力更为准确且通用的度量。这是因为阻抗不仅考虑了材料本身的电阻，还包含了电容和电感等机制的贡献。当施加的交流信号为正弦波且响应呈线性时，所产生的电流也将是正弦波，但会存在相位偏移。为了考虑频率和相位偏移的影响，我们可以利用欧拉关系式和复数来建立电路元件的阻抗方程。这些模型用于解释实验数据：电阻的阻抗与频率无关，电容的阻抗与频率成反比，而电感的阻抗则与频率成正比。在电化学阻抗谱（EIS）测试过程中，仪器会对样品施加一个交变电压场，并测量其电流响应。通过确定不同频率下的相位偏移和振幅变化，可计算出阻抗的实部和虚部。奈奎斯特图通过将虚部绘制在Y轴、实部绘制在X轴来生成。最简单的奈奎斯特图之一是半圆形。随后，该图被用于构建一个最能代表样品阻抗特性的电路模型。在建模过程中，物理过程对应于电路中的元件。例如，电双层对应于一个电容器。此奈奎斯特图对应的等效电路模型由一个与（并联的电阻和电容）串联的电阻组成。这是解析奈奎斯特图时常见的起始模型。软件会根据您的奈奎斯特图提供若干等效电路模型供您选择。如果这些模型无法良好拟合您的数据，您也可以手动构建电路模型以匹配数据，但这是一项复杂的工作。在下一节中，我们将演示如何使用EIS测试一个对照样品和一个实验样品，并建立相应的等效电路以表征所观测到的阻抗数据。
收集电化学阻抗谱（EIS）仪器和测试模块。 通过两个电极将测试模块连接至 EIS 仪器，以模拟一个简单的已知电路。 在计算机上打开 ZPlot 软件，设置测试模块的参数。 将直流电位设为零，交流振幅设为 10 毫伏，下拉箭头选择相对于开路电位。 将初始频率设为 1 × 10⁶ 赫兹，终止频率设为 100 赫兹，间隔设为 10。 选择对数模式及每十倍频程的步数。 点击“测量”，然后“扫描”，以开始新的记录并开始采集数据。 将测得的数值与测试模块正面标注的预期值进行比较。 如果数值不匹配，请检查线路连接和设备，并重新测试。 获取 β-氧化铝样品并将其装入组件中。 在通风橱内操作，将组件插入管式炉，并连接电极。 打开 ZPlot 软件，保持与测试模块相同的参数设置，然后点击“测量”，再点击“扫描”。 打开 ZView 软件，以查看结果，操作方式与测试模块相同。 保存所得图谱。 选择两个点以拟合半圆。 然后按下“即时拟合”按钮，选择最优的等效电路模型。 为简化实验，本实验在室温下进行。 通常，EIS 测试会通过改变振幅或电压以及温度来进行。
现在让我们来看一下实验结果。 电化学阻抗谱（EIS）的结果以奈奎斯特图（Nyquist plot）形式呈现， 显示在每个测试频率下实部阻抗与虚部阻抗的关系。 系统提供了多种电路模型供您拟合数据， 最好选择能够准确反映数据的最简模型。 接下来，选择一个等效电路， 并利用所得数据计算样品的电导率。 数据也可通过电导率公式拟合为一条直线。 根据对该样品多次测试所得的数值， 计算出其电导率为 1.67 毫西门子每厘米（mS/cm）， 而文献报道的电导率值约为 4.1 毫西门子每厘米。 这表明我们所选用的模型是一个较好的拟合， 尽管并非完全理想。
现在您已经了解了使用电化学阻抗谱测量和模拟阻抗的方法，接下来让我们看看该技术的一些应用。电化学阻抗谱（EIS）可用于检测样品中的微生物。当细菌在样品上生长时，会改变样品的电导率。因此，可以通过EIS测量阻抗以判断微生物种群的生长情况。该技术被称为阻抗微生物学。EIS还广泛应用于涂料和防腐蚀行业。若材料的电阻小于10⁶ Ω·cm²，则可能无法有效抵御日常环境中对表面造成侵蚀的电化学过程。EIS测试可预测用于严苛环境中的材料的抗腐蚀性能，仅在美国每年就可节省数十亿美元的维修费用。
您刚刚观看了 JoVE 关于电化学阻抗谱的简介。 现在，您应该了解如何测试和模拟材料的 阻抗特性。 感谢您的观看。
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Q1: What is the difference between electrical resistance and electrical impedance?
Electrical resistance measures a circuit element's ability to resist electricity flow and is defined by Ohm's Law as voltage divided by current. Electrical impedance is a more accurate and general measure that accounts for resistance plus contributions from capacitance and induction, making it essential for AC circuits where frequency affects the response.
Q2: How does electrochemical impedance spectroscopy detect changes in material composition?
EIS applies sinusoidal electrical loads across electrodes at multiple frequencies and measures the impedance response. Since electrical conductivity depends on all sample components, changes in component quantity or structure alter the impedance signature, allowing EIS to detect compositional variations in materials.
Q3: What is a Nyquist plot and how is it used in EIS analysis?
A Nyquist plot graphs the imaginary impedance component on the Y-axis against the real component on the X-axis at different frequencies. The resulting shape, often a semicircle, is used to build an equivalent circuit model that represents the sample's impedance behavior and identifies physical processes like electrical double layers.
Q4: How does impedance vary with frequency for different circuit components?
Impedance behaves differently across frequencies depending on the component type. Resistors show impedance independent of frequency, capacitors display impedance inversely related to frequency, and inductors show impedance directly related to frequency. These relationships, derived using complex numbers and Euler's relationship, enable accurate circuit modeling.
Q5: What is impedance microbiology and how does EIS support it?
Impedance microbiology uses EIS to measure bacterial population growth by detecting changes in sample electrical conductivity. As bacteria grow on a sample, they alter its impedance, allowing researchers to monitor microbial activity without direct counting methods, making EIS a powerful tool for microbial detection.
Q6: Why is EIS important for predicting corrosion resistance in materials?
Materials with electrical resistance below 10^6 Ohms per centimeter squared cannot protect against electrochemical corrosion processes. EIS testing predicts corrosion resistance properties of materials in harsh environments, helping engineers select appropriate materials and saving billions in repair costs annually in the United States alone.
Q7: What steps are involved in building an equivalent circuit model from EIS data?
After collecting impedance data and generating a Nyquist plot, software presents multiple equivalent circuit model options. Researchers select the simplest model that accurately reflects the data by fitting two points on the semicircle and using the instant fit function, then validate the model by comparing calculated conductivity to reported values.