Elektrochemische Impedantie Spectroscopie
Bron: Kara Ingraham, Jared McCutchen en Taylor D. Sparks, Afdeling Materiaalkunde en Materiaaltechniek, Universiteit van Utah, Salt Lake City, UT
Elek…
- Haal een testmodule en sluit deze via twee elektroden aan op de EIS-instrumenten. De testmodule, afgebeeld in Figuur 3, levert gegevens die kunnen worden gebruikt om een eenvoudige, bekende kring te modelleren. Het kan worden gebruikt om te bevestigen dat de draden correct aan de machine zijn aangesloten en dat alle machineonderdelen functioneel zijn.
Figuur 3: Testmodule.
- Om stroom door het monster te laten stromen, opent u de Zplot-software op de computer. Met deze software kunt u de parameters voor uw monster instellen zoals nodig is. Wanneer u een test op de testmodule uitvoert, stelt u onder "Polarisatie" het DC-potentieel in op 0, de AC-amplitude op 10 mV en zorg ervoor dat de vervolgkeuzepijl zegt: "vs. Open Circuit". Zet onder het gedeelte "Frequentieveeg", de beginfrequentie op 1x10^6 Hz, de eindfrequentie op 100 Hz en het interval op 10. Selecteer vervolgens "logaritmisch" en "Stappen/Decaad". Druk vervolgens op "OK" om een nieuwe meting te starten.
- Open de Zview-software om de resultaten te bekijken. Selecteer z' en z'' om te plotten. De resultaten worden getoond op de negatieve as - om ze op de positieve as te laten zien, vermenigvuldigt u met -1. Klik op "meten" en vervolgens op "veeg" om de gemeten z' en z'' waarden te krijgen. Vergelijk deze gemeten waarden met de verwachte waarden die op de voorkant van de testmodule staan, zoals te zien is in Figuur 2. Als de waarden overeenkomen, gaat u verder met stap 4. Zo niet, controleer dan alle bedrading en apparatuur om te zien of alles correct is aangesloten en functioneert.
- Haal de elektroden los van de testmodule.
- Bereid het monster voor; voor demonstratie zullen we een commercieel verkrijgbaar beta-alumina gebruiken door het in de montage te plaatsen zoals getoond in Figuur 4. Plaats deze montage in de buisoven, die zich in de kapdam bevindt. Deze set-up is noodzakelijk omdat EIS-tests meestal worden uitgevoerd door amplitude (of spanning) en temperatuur te variëren over een bepaalde tijdsperiode. Voor vereenvoudiging zullen we dit experiment alleen bij kamertemperatuur uitvoeren.
Figuur 4: Montage waarin het monster wordt geplaatst.
- Bevestig de elektroden aan de montage zoals getoond in Figuur 5.
Figuur 5: Monstermontage, in de kapdam, met bevestigde elektroden.
- Open de Zplot-software en stel de parameters in. Voor dit experiment zullen de parameters hetzelfde zijn als in stap 2.
- Verkrijg de grafieken met behulp van dezelfde procedure als in stap 3 (behalve dat de z' en z'' waarden niet hoeven te worden vergeleken met de testmodule). Bewaar de grafieken.
- Klik op de "instant fit" knop en kies twee punten om de halve cirkel te passen. Gebruik de software om het beste equivalente circuitmodel te kiezen.
Elektrochemische impedantiespectroscopie is een krachtige techniek die wordt gebruikt om materialen te karakteriseren op basis van hoe ze de stroom van elektriciteit belemmeren in toepassingen zo divers als microbiologie en corrosiebestendigheid. De elektrische geleidbaarheid van een monster is gebaseerd op de samenstelling van alle componenten van het monster. Daarom kan EIS ook worden gebruikt om veranderingen in de hoeveelheid of structuur van elk component te detecteren. EIS wordt uitgevoerd door een kleine sinusvormige elektrische belasting over elektroden aan te brengen die op een monster zijn aangesloten bij een breed scala aan frequenties. Op basis van de gemeten respons wordt de impedantie berekend bij elk van de frequenties. Computersoftware wordt vervolgens gebruikt om de resultaten te plotten en een equivalent circuitmodel op te bouwen dat representatief is voor de waargenomen gegevens. Het typische doel van het gebruik van EIS is om de totale elektrische impedantie van het monster op te splitsen in bijdragen van mechanismen zoals weerstand, capaciteit of inductie. Deze video zal de principes en procedures die betrokken zijn bij EIS illustreren om de impedantie van een materiaal te bepalen. Het zal ook laten zien hoe je equivalent circuitmodellen van het monster kunt maken.
Elektrische weerstand is de vermogen van een circuitelement om de stroom van elektriciteit te weerstaan. En Ohm's Wet definieert weerstand als spanning gedeeld door stroom. Bij het omgaan met wisselstromen is echter elektrische impedantie een nauwkeuriger en algemenere maatstaf voor het vermogen om de stroom van elektriciteit te weerstaan. Dit komt omdat het naast de weerstand van het materiaal, ook rekening houdt met de bijdrage van mechanismen, zoals capaciteit en inductie. Als een aangewend wisselstroom signaal sinusvormig is en de respons lineair is, zal de geproduceerde stroom ook sinusvormig zijn, maar verschoven in fase. Om rekening te houden met de frequentie en faseverschuiving kunnen we impedantie-vergelijkingen opstellen voor componenten van een circuit met behulp van de relatie van Euler en complexe getallen. Deze modellen worden gebruikt om gegevens te interpreteren die aantonen dat impedantie onafhankelijk is van frequentie voor weerstanden, invers gerelateerd aan frequentie voor condensatoren, en direct gerelateerd aan frequentie voor inductoren. Tijdens EIS-testen past het instrument een wisselspanningsveld toe op een monster en meet de stroomrespons. De reële en imaginaire componenten van impedantie worden berekend door de faseverschuiving te bepalen en de verandering in amplitude bij verschillende frequenties. Een Nyquist-plot wordt gegenereerd door de imaginaire component op de Y-as en de reële component op de X-as te plotten. Een van de eenvoudigste Nyquist- plots is een halve cirkel. De plot wordt vervolgens gebruikt om een circuitmodel op te bouwen dat het beste de impedantie van het monster vertegenwoordigt. Tijdens het modelleren komen fysische processen overeen met elementen van een circuit. Bijvoorbeeld, een elektrische dubbele laag komt overeen met een condensator. Het equivalente circuitmodel voor deze plot wordt weergegeven door een weerstand in serie met een weerstand en condensator in parallel. Dit is een veelgebruikte uitgangsplaats voor de interpretatie van een Nyquist-plot. De software zal je equivalente circuitmodellen presenteren op basis van je Nyquist-plot waaruit je kunt kiezen. Als deze modellen niet passen bij je gegevens kun je handmatig een circuit modelleren om de gegevens te passen, een ingewikkelde taak. In de volgende sectie laten we je zien hoe je een controlemonster en een experimenteel monster met EIS kunt testen en vervolgens een equivalent circuit bouwt om de waargenomen impedantiegegevens te vertegenwoordigen.
Verzamel EIS-instrumenten en een testmodule. Sluit de testmodule aan op de EIS-instrumenten via twee elektroden om een eenvoudig bekend circuit te modelleren. Open de ZPlot-software op de computer om de parameters voor de testmodule in te stellen. Stel DC-potentiaal op nul, AC-amplitude op 10 millivolt, en de vervolgkeuzelijst op versus open circuit. Stel de beginfrequentie in op een keer 10 tot macht zes hertz, eindfrequentie op 100 hertz, en interval op 10. Selecteer logaritmisch en stappen per decennium. Meet, vervolgens veeg, om een nieuwe opname te starten, en begin met het verzamelen van gegevens. Vergelijk gemeten waarden met verwachte waarden die op de voorkant van de testmodule staan. Als de waarden niet overeenkomen, controleer bedrading en apparatuur, en hertest. Verkrijg het monster van beta-alumina en plaats het in de assemblage. Werk in de afzuigkap, plaats de assemblage in de buisoven en bevestig de elektroden. Open de ZPlot-software met dezelfde parameters die voor de testmodule zijn gebruikt en druk op meten, vervolgens veeg. Open de ZView-software om de resultaten te bekijken zoals je hebt gedaan voor de testmodule. Sla de plots op. Kies twee punten om de halve cirkel aan te passen. Druk vervolgens op de knop voor onmiddellijke aanpassing om het beste equivalente circuitmodel te kiezen. Voor vereenvoudiging hebben we dit experiment bij kamertemperatuur uitgevoerd. EIS-tests worden meestal uitgevoerd door amplitude of spanning te variëren evenals temperatuur.
Laten we nu eens kijken naar onze resultaten. De resultaten van de EIS worden gepresenteerd in een Nyquist-plot die reële impedantie toont versus complexe impedantie bij elke geteste frequentie. Er worden meerdere opties van circuits aangebied om uw gegevens te modelleren, het is het beste om het eenvoudigste model te kiezen dat de gegevens nog steeds nauwkeurig weergeeft. Kies vervolgens een equivalent circuit, en gebruik de resulterende gegevens, laten we de geleiding van het monster berekenen. Gegevens kunnen ook worden aangepast aan een lineaire lijn met behulp van de vergelijking voor geleiding. Met behulp van de waarden gevonden door herhaald testen voor dit monster, wordt een geleiding van 1,67 millisiemens per centimeter berekend, vergeleken met de gerapporteerde geleidingswaarde van ongeveer 4,1 millisiemens per centimeter. Dit geeft aan dat het model dat we hebben gekozen een goede, hoewel niet perfecte pasvorm was.
Nu je de methoden begrijpt om impedantie te meten en te modelleren met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.