Espectroscopia de impedancia electroquímica

Electroquímico Espectroscopía de impedancia es una técnica poderosa utilizada para caracterizar materiales en función de cómo impiden el flujo de electricidad en aplicaciones tan diversas como la microbiología y resistencia a la corrosión. La conductividad eléctrica de una muestra se basa en el maquillaje de todos los componentes de la muestra. Debido a esto, también se puede utilizar EIS Para detectar cambios en el Cantidad o estructura de cada componente. El EIS se realiza mediante la aplicación de una pequeña carga eléctrica sinusoidal a través de electrodos conectados a una muestra en una amplia gama de frecuencias. Sobre la base de la respuesta medida, La impedancia se calcula en cada una de las frecuencias. El software informático es entonces utilizado para representar los resultados y construir un modelo de circuito equivalente que sea representativo de los datos observados. El objetivo típico de usar EIS está descomponiendo el valor de la muestra Impedancia eléctrica total en contribuciones de mecanismos como la resistencia, capacitancia, o inducción. Este video ilustrará Los principios y procedimientos implicados en el EIS para determinar la impedancia de un material. También demostrará cómo crear modelos de circuitos equivalentes de la muestra.

La resistencia eléctrica es la Capacidad de un elemento de circuito para resistir el flujo de electricidad. Y la Ley de Ohm define la resistencia como voltaje dividido por la corriente. Sin embargo, cuando se trata de corrientes de CA, La impedancia eléctrica es una y la medida general de la capacidad para resistir el flujo de electricidad. Esto se debe a que, Además de la resistencia del material, Da cuenta de la contribución de los mecanismos, tales como capacitancia e inducción. Si una señal de CA aplicada es sinusoidal y la respuesta es lineal, la corriente producida también será sinusoidal, pero cambió de fase. Para tener en cuenta la Desplazamiento de frecuencia y fase Podemos construir ecuaciones de impedancia para los componentes de un circuito usando la relación de Euler y números complejos. Estos modelos se utilizan para interpretar los datos mostrando que la impedancia es independientemente de la frecuencia de las resistencias, inversamente relacionado con frecuencia para condensadores, y directamente relacionados con frecuencia para inductores. Durante las pruebas de EIS, el instrumento aplica un voltaje de campo alterno a una muestra y mide la respuesta actual. Lo real y lo imaginario Componentes de la impedancia se calculan mediante Determinación del cambio de fase y cambio en amplitud a diferentes frecuencias. Se genera un diagrama de Nyquist Dibujando el imaginario componente en el eje Y y el componente real en el eje X. Uno de los Nyquist más simples plots es un semicírculo. A continuación, se utiliza la parcela Para crear un modelo de circuito que mejor represente la impedancia de la muestra. Durante el modelado, los procesos físicos corresponden a elementos de un circuito. Por ejemplo, una doble capa eléctrica corresponde a un condensador. El modelo de circuito equivalente para esta gráfica está representado por una resistencia en serie con una resistencia y un condensador en paralelo. Este es un punto de partida común para la interpretación de un complot de Nyquist. El software le presentará con modelos de circuitos equivalentes basado en su diagrama de Nyquist para que elijas. Si estos modelos no se ajustan a sus datos Puede modelar manualmente un circuito para ajustar los datos, Una tarea complicada. En la siguiente sección, Te mostraremos cómo Probar una muestra de control y una muestra experimental con EIS y luego construir un circuito equivalente para representar los datos de impedancia observada.

Reúna los instrumentos de EIS y un módulo de prueba. Conecte el módulo de prueba a los instrumentos del EIS a través de dos electrodos para modelar Un circuito simple y conocido. Abra el software ZPlot en la computadora para establecer los parámetros del módulo de prueba. Establezca el potencial de CC a cero, Amplitud de CA a 10 milivoltios, y la flecha desplegable frente al circuito abierto. Establezca la frecuencia inicial en uno multiplicado por 10 para potenciar seis hercios, frecuencia final a 100 hercios, y el intervalo a 10. Seleccione logarítmico y pasos por década. Medir, luego barrer, para iniciar una nueva grabación, y comenzar a recopilar datos. Comparar los valores medidos con los valores esperados que se encuentra en la parte frontal del módulo de prueba. Si los valores no coinciden, revisar el cableado y el equipo, y volver a probar. Obtener la muestra de beta alúmina y ponerlo en el montaje. Trabajando en la campana extractora, Inserte el conjunto en el horno tubular y conecte los electrodos. Abra el software ZPlot manteniendo los mismos parámetros utilizado para el módulo de prueba y presione medir, luego barrer. Abra el software ZView Para ver los resultados como lo hizo para el módulo de prueba. Guarde las parcelas. Elige dos puntos para que se ajusten al semicírculo. A continuación, pulse el botón de ajuste instantáneo para elegir lo mejor modelo de circuito equivalente. Para simplificar, Llevamos a cabo este experimento a temperatura ambiente. Las pruebas EIS suelen ser ejecutadas por Amplitud o voltaje variable así como la temperatura.

Echemos ahora un vistazo a nuestros resultados. Los resultados de la EIS son los siguientes: presentado en una trama de Nyquist Mostrando impedancia real frente a la impedancia compleja en cada frecuencia probada. Múltiples opciones de circuitos para modelar sus datos se proporcionan, Lo mejor es elegir el modelo más sencillo que aún refleja con precisión los datos. A continuación, elija un circuito equivalente, y utilizando los datos resultantes, Calculemos el conductividad de la muestra. Los datos también se pueden ajustar a una línea lineal Usando la ecuación para la conductividad. Uso de los valores encontrados a través de pruebas repetidas para esta muestra, una conductividad de 1,67 milisiemens por centímetro se calcula, En comparación con el Valor de conductividad reportado de aproximadamente 4,1 milisiemens por centímetro. Esto indica que el El modelo que elegimos fue un buen, aunque no encaja perfectamente.

Ahora que aprecias los métodos de medición y modelado de impedancia Uso de productos electroquímicos espectroscopía de impedancia, Echemos un vistazo a algunos de los las aplicaciones de esta herramienta. El EIS se puede utilizar para observar microorganismos en una muestra. Cuando las bacterias crecen en una muestra Puede cambiar el sistema eléctrico conductividad de la muestra. Debido a esto, EIS puede ser Se utiliza para medir la impedancia para determinar el crecimiento de la población. Esta técnica es conocida como microbiología de impedancia. EIS también se utiliza en La pintura y la corrosión industrias de prevención. Los materiales que muestran una resistencia de menos de 10 a la potencia seis ohmios por centímetro cuadrado Es posible que no proteja contra el Procesos químicos eléctricos Ese ataque sale a la superficie todos los días. Las pruebas EIS predicen el Propiedades de resistencia a la corrosión de los materiales a utilizar en entornos hostiles, Ahorrando miles de millones de dólares en reparaciones cada año solo en los Estados Unidos.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la espectroscopia de impedancia electroquímica. Ahora deberías entender Cómo probar y modelar el Características de impedancia de materiales. Gracias por mirar.