Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Materials Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

Spettroscopia di impedenza elettrochimica
 
Click here for the English version

Spettroscopia di impedenza elettrochimica

Overview

Fonte: Kara Ingraham, Jared McCutchen e Taylor D. Sparks,Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università dello Utah, Salt Lake City, UT

La resistenza elettrica è la capacità di un elemento del circuito elettrico di resistere al flusso di elettricità. La resistenza è definita dalla legge di Ohm:

Equation 1(Equazione 1)

Dove Equation 2 è la tensione ed è la Equation 3 corrente. La legge di Ohm è utile per determinare la resistenza dei resistori ideali. Tuttavia, molti elementi del circuito sono più complessi e non possono essere descritti solo dalla resistenza. Ad esempio, se viene utilizzata una corrente alternata (CA), la resistività dipenderà spesso dalla frequenza del segnale CA. Invece di utilizzare solo la resistenza, l'impedenza elettrica è una misura più accurata e generalizzabile della capacità di un elemento circuitale di resistere al flusso di elettricità.

Più comunemente, l'obiettivo delle misurazioni dell'impedenza elettrica è la deconvoluzione dell'impedenza elettrica totale di un campione in contributi provenienti da diversi meccanismi come resistenza, capacità o induzione.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Durante la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) viene applicata una tensione CA a un campione a frequenze diverse e viene misurata la corrente elettrica. Quando si ha a che fare con correnti CA l'impedenza ( Equation 4 ) sostituisce la resistenza ( Equation 5 ) nella legge di Ohm. Se il segnale AC originale è sinusoidale, allora una risposta lineare significa che anche la corrente prodotta sarà sinusoidale, ma spostata in fase. Tenere conto della frequenza e dello sfasamento della tensione e della corrente è più facilmente realizzante utilizzando la relazione di Eulero e i numeri complessi in cui abbiamo sia una componente reale che una componente immaginaria a Equation 4 . Da questo possiamo costruire equazioni per l'impedenza per diversi componenti di un circuito:

1.Resistore:     Equation 6 (Equazione 2)

2. Condensatori: Equation 7 (Equazione 3)    

3. Induttore:   Equation 8 (Equazione 4)

Dove Equation 9 è la frequenza della corrente CA, Equation 10   è la capacità, è Equation 11   l'induttanza ed è Equation 12 l'unità immaginaria. Da queste equazioni si può vedere che l'impedenza come resistore è indipendente dalla frequenza, inversamente correlata alla frequenza come condensatore e alla frequenza direttamente correlata come induttore.

Un grafico di Nyquist viene generato dalla risposta in frequenza all'impedenza elettrica tracciando la componente immaginaria sull'asse y e la componente reale sull'asse x. Lo strumento applica una tensione di campo alternato al campione e misura la risposta di corrente. Le componenti reali e immaginarie dell'impedenza sono calcolate determinando lo sfasamento e il cambiamento di ampiezza a frequenze diverse. Un esempio di questo è mostrato nella Figura 1. Questo grafico viene quindi utilizzato per costruire un modello di circuito che rappresenti al meglio l'impedenza del campione.

Figure 1
Figura 1: Rappresentazione dello sfasamento tra la tensione applicata e la corrente misurata.

Uno dei più semplici grafici di Nyquist è quello di un semicerchio che può essere visto nella Figura 2. Il grafico nella Figura 2 è rappresentato da un resistore in serie seguito da un resistore e un condensatore in parallelo - questo è noto come modellazione di circuiti equivalenti. Diversi processi fisici corrispondono agli elementi nel modello del circuito; ad esempio, un doppio strato elettrico corrisponde a un condensatore. Nella Figura 2 viene mostrato un grafico di Nyquist che è meglio modellato da una cella di Randle. Questo è un punto di partenza comune per l'interpretazione di un complotto di Nyquist. Una volta completato il grafico di Nyquist, il software ti presenterà modelli di circuiti equivalenti tra cui puoi scegliere per modellare i tuoi dati. Se il grafico di Nyquist non ha una buona vestibilità dagli adattamenti generati dal computer, è possibile costruire il proprio circuito per adattarsi ai dati. Tuttavia, questo può essere un compito complicato. È importante iniziare in modo semplice e costruire da lì. È anche importante rimanere realistici in base a ciò che si sa sul campione che si sta testando, per assicurarsi di non creare un modello non realistico. Per cominciare, se il primo punto si trova sull'asse reale, è comunemente modellato come un resistore. Mentre vi spostate lungo la curva, potete aggiungere o rimuovere elementi del circuito per generare una migliore adattamento.

Figure 2
Figura 2: Immagine di un semplice grafico di Nyquist e del suo modello di cella di Randle equivalente.

Il concetto che intendiamo modellare in questo esperimento è come testare i campioni con EIS e utilizzare il grafico di Nyquist per costruire un circuito modello che potrebbe rappresentare i dati di impedenza osservati. Per la prima parte dell'esperimento dimostreremo come eseguire un campione di controllo che produce un modello di circuito noto che il software può facilmente riconoscere. Per la seconda parte, possiamo dimostrare come testare un campione sperimentale e nuovamente utilizzare il software per generare un circuito modello i migliori modelli l'impedenza elettrica del campione.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
  1. Ottenere un modulo di prova e collegarlo agli strumenti EIS tramite due elettrodi. Il modulo di test, illustrato nella Figura 3,fornisce dati che possono essere utilizzati per modellare un circuito semplice e noto. Può essere utilizzato per confermare che i fili sono collegati correttamente alla macchina e che tutte le parti della macchina funzionano.

Figure 3
Figura 3: Modulo di test.

  1. Per iniziare a scorrere corrente attraverso l'esempio, aprire il software Zplot sul computer. Da questo software è possibile impostare i parametri per il campione in base alle esigenze. Quando si esegue un test sul modulo di test, in "Polarizzazione", impostare il potenziale CC su 0, l'ampiezza CA su 10 mV e assicurarsi che la freccia a discesa dica "vs. Circuito aperto". Nella sezione "Sweep di frequenza", impostare la frequenza iniziale su 1x10^6 Hz, la frequenza finale su 100 Hz e l'intervallo su 10. Seleziona anche "logaritmico" e "Passi/Decennio". Quindi premere "OK" per iniziare una nuova lettura.
  2. Aprire il software Zview per visualizzare i risultati. Selezionare z' e z'' per tracciare. I risultati saranno mostrati sull'asse negativo- per mostrarli sull'asse positivo, moltiplicare per -1. Fai clic su "misura", quindi su "sweep" per ottenere i valori z' e z'' misurati. Confrontare questi valori misurati con i valori attesi trovati sulla parte anteriore del modulo di test, come illustrato nella Figura 2. Se i valori corrispondono, continuare con il passaggio 4. In caso contrario, controllare tutti i cablaggi e le apparecchiature per vedere che tutto sia collegato e funzioni correttamente.
  3. Staccare gli elettrodi dal modulo di prova.
  4. Preparare il campione; per la dimostrazione utilizzeremo un'allumina beta disponibile in commercio inserendola nell'assieme mostrato in Figura 4. Inserire questo gruppo nel forno tubolare, che si trova nel fumi della cappa. Questa configurazione è necessaria perché i test EIS vengono solitamente eseguiti variando ampiezza (o tensione) e temperatura in un determinato intervallo di tempo. Per semplificazione, eseguiremo questo esperimento solo a temperatura ambiente.

Figure 4
Figura 4: Assemblaggio in cui verrà inserito il campione.

  1. Collegare gli elettrodi all'assieme come mostrato nella Figura 5.

Figure 5
Figura 5: Assemblaggio del campione, nei fumi della cappa, con elettrodi collegati.

  1. Aprire il software Zplot e impostare i parametri. Per questo esperimento, i parametri saranno gli stessi del passaggio 2.
  2. Ottenere i grafici utilizzando la stessa procedura del passaggio 3 (tranne che i valori z' e z'' non devono essere confrontati con il modulo di prova). Salva le trame.
  3. Fai clic sul pulsante "adattamento istantaneo" e scegli due punti per adattare il semicerchio. Utilizzare il software per scegliere il miglior modello di circuito equivalente.

Elettrochimico spettroscopia di impedenza è una potente tecnica utilizzata per caratterizzare i materiali in base a come impediscono il flusso di energia elettrica in applicazioni diverse come la microbiologia e resistenza alla corrosione. La conduttività elettrica di un campione si basa sul trucco di tutti i componenti del campione. Per questo motivo, EIS può anche essere utilizzato Per rilevare le modifiche nella quantità o struttura di ogni componente. L'EIS viene eseguito applicando un piccolo carico elettrico sinusoidale attraverso elettrodi collegati a un campione a una vasta gamma di frequenze. In base alla risposta misurata, l'impedenza viene calcolata a ciascuna delle frequenze. Il software del computer è quindi utilizzato per tracciare i risultati e costruire un modello di circuito equivalente che è rappresentativo dei dati osservati. L'obiettivo tipico dell'utilizzo di EIS sta scomponendo i campioni impedenza elettrica totale in contributi di meccanismi come la resistenza, capacità, o induzione. Questo video illustrerà i principi e le procedure coinvolti nell'EIS per determinare l'impedenza di un materiale. Dimostrerà anche come creare modelli di circuito equivalenti del campione.

La resistenza elettrica è la capacità di un elemento circuitale per resistere al flusso di elettricità. E la legge di Ohm definisce la resistenza come tensione divisa per corrente. Quando si ha a che fare con correnti CA, tuttavia, l'impedenza elettrica è un modo più preciso e misura generale della capacità per resistere al flusso di elettricità. Questo perché, oltre al resistenza del materiale, Tiene conto del contributo dei meccanismi, come capacità e induzione. Se un segnale CA applicato è sinusoidale e la risposta è lineare, la corrente prodotta sarà anche sinusoidale, ma spostato di fase. Per tenere conto del frequenza e sfasamento possiamo costruire equazioni di impedenza per componenti di un circuito usando la relazione di Eulero e numeri complessi. Questi modelli vengono utilizzati per interpretare i dati mostrare che l'impedenza è indipendentemente dalla frequenza per i resistori, inversamente correlato a frequenza per condensatori, e direttamente correlati a frequenza per induttori. Durante i test EIS, lo strumento si applica una tensione di campo alternata a un campione e misura la risposta attuale. Il reale e l'immaginario componenti di impedenza sono calcolati da determinazione dello sfasamento e variazione di ampiezza a diverse frequenze. Viene generato un grafico di Nyquist tracciando l'immaginario componente sull'asse Y e il componente reale sull'asse X. Uno dei Nyquist più semplici trame è un semicerchio. La trama viene quindi utilizzata Per creare un modello di circuito che meglio rappresenta il impedenza del campione. Durante la modellazione, processi fisici corrispondono agli elementi di un circuito. Ad esempio, un doppio strato elettrico corrisponde a un condensatore. Il modello di circuito equivalente per questo grafico è rappresentato da un resistore in serie con un resistore e un condensatore in parallelo. Questo è un punto di partenza comune per l'interpretazione di un complotto di Nyquist. Il software ti presenterà con modelli di circuiti equivalenti basato sul tuo nyquist trama tra cui scegliere. Se questi modelli non si adattano ai tuoi dati È possibile modellare manualmente un modello A circuito per adattare i dati, un compito complicato. Nella sezione successiva, ti mostreremo come Testare un campione di controllo e un campione sperimentale con EIS e quindi costruire un circuito equivalente per rappresentare i dati di impedenza osservati.

Raccogli gli strumenti EIS e un modulo di test. Collegare il modulo di test agli strumenti del SIE tramite due elettrodi da modellare un semplice circuito conosciuto. Aprire il software ZPlot sul computer per impostare i parametri per il modulo di test. Impostare il potenziale DC su zero, Ampiezza AC a 10 millivolt, e la freccia a discesa a contro circuito aperto. Impostare la frequenza iniziale su uno volte 10 per potenza sei hertz, frequenza finale a 100 hertz, e intervallo a 10. Seleziona logaritmico e passi per decennio. Misurare, quindi eseguire la sweep, fino a iniziare una nuova registrazione, e iniziare a raccogliere dati. Confrontare i valori misurati con i valori attesi trovato sulla parte anteriore del modulo di prova. Se i valori non corrispondono, controllare il cablaggio e le apparecchiature, e ripetere il test. Ottenere il campione di allumina beta e mettilo nell'assemblaggio. Lavorare nella cappa aspirante, inserire l'assieme nel forno tubolare e collegare gli elettrodi. Aprire il software ZPlot mantenendo gli stessi parametri utilizzato per il modulo di prova e premere misura, quindi spazzare. Aprire il software ZView per visualizzare i risultati come hai fatto per il modulo di test. Salva le trame. Scegliete due punti per adattare il semicerchio. Quindi premere il pulsante di adattamento istantaneo per scegliere il meglio modello di circuito equivalente. Per semplificare, abbiamo eseguito questo esperimento a temperatura ambiente. I test EIS sono solitamente eseguiti da ampiezza o tensione variabile così come la temperatura.

Diamo ora un'occhiata ai nostri risultati. I risultati dell'EIS sono presentato in una trama di Nyquist mostrando impedenza reale rispetto all'impedenza complessa ad ogni frequenza testata. Molteplici opzioni di circuiti per modellare i tuoi dati sono forniti, è meglio scegliere il modello più semplice che riflette ancora accuratamente i dati. Quindi, scegli un circuito equivalente, e utilizzando i dati risultanti, calcoliamo il conducibilità del campione. I dati possono anche essere adattati a una linea lineare usando l'equazione per la conduttività. Utilizzo dei valori trovati attraverso test ripetuti per questo campione, una conducibilità di 1,67 millisiemens per centimetro è calcolato, rispetto al valore di conducibilità riportato di circa 4,1 millisiemens per centimetro. Ciò indica che l'articolo modello che abbiamo scelto è stato un buono, anche se non si adatta perfettamente.

Ora che apprezzi i metodi di impedenza di misura e modellazione utilizzo di prodotti elettrochimici spettroscopia di impedenza, diamo un'occhiata ad alcuni dei le applicazioni per questo strumento. EIS può essere utilizzato per esaminare microrganismi in un campione. Quando i batteri crescono su un campione può cambiare l'elettricità conducibilità del campione. Per questo motivo, EIS può essere utilizzato per misurare l'impedenza per determinare la crescita della popolazione. Questa tecnica è nota come microbiologia dell'impedenza. EIS è utilizzato anche in la vernice e la corrosione industrie di prevenzione. Materiali che mostrano un resistenza inferiore a 10 alla potenza sei Ohm per centimetro quadrato potrebbe non proteggere contro il processi chimici elettrici che attaccano le superfici ogni giorno. Il test EIS prevede il proprietà di resistenza alla corrosione di materiali da utilizzare in ambienti difficili, risparmiando miliardi di dollari in riparazioni ogni anno solo negli Stati Uniti.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettroscopia di impedenza elettrochimica. Ora dovresti capire Come testare e modellare il caratteristiche di impedenza di materiali. Grazie per l'attenzione.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

I risultati dell'EIS sono spesso presentati in un grafico di Nyquist, che mostra l'impedenza reale rispetto all'impedenza complessa ad ogni frequenza testata. Il grafico dell'esperimento eseguito può essere visto nella Figura 6.

Figure 6
Figura 6: Screenshot del computer dopo che è stato ottenuto il grafico di Nyquist. 

Come visto nel passaggio 9 della procedura, il software ti darà opzioni di circuiti per modellare i tuoi dati. È meglio scegliere il modello più semplice che rifletta ancora accuratamente i dati. Scegliere il circuito corretto per modellare i dati è un problema difficile e inverso. Sebbene esistano pacchetti software che possono aiutare a generare circuiti modello, è necessario prestare attenzione durante questa analisi.

Quando si scelto un circuito equivalente, i dati risultanti possono essere utilizzati per calcolare la conduttività del campione. Un modo per calcolare la conduttività consiste nel tracciare i dati da EIS utilizzando un modello Arrhenius, che traccia 1000/T sull'asse x e log(σT) sull'asse y. I dati possono essere adattati a una linea lineare utilizzando la seguente equazione:

Equation 13    (Equazione 5)

Dove Equation 14 per il nostro campione era 374 S/cm*K ed Ea, l'energia di attivazione, era 0,17 eV, e T = 298 K. Collegando questi valori, abbiamo calcolato una conduttività di 1,67 x 10-3 S/cm. Precedenti esperimenti con questo campione hanno riportato che la sua conduttività è di circa 4,1 x 10-3 S / cm. Questo è abbastanza simile al valore di conducibilità che abbiamo calcolato, indicando che il modello che abbiamo scelto era un buon adattamento, anche se non perfetto.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

La spettroscopia di impedenza elettrochimica è uno strumento utile per determinare in che modo un nuovo materiale o dispositivo impedisce il flusso di elettricità. Lo fa applicando un segnale CA attraverso gli elettrodi collegati al campione. I dati vengono raccolti e tracciati dal computer nella pianura complessa. Con l'aiuto del software, il grafico può essere modellato su parti specifiche di un circuito. Questi dati possono spesso essere molto complicati e richiedono un'attenta analisi. Questa tecnica, per quanto complessa, è un mezzo non distruttivo estremamente utile per interrogare le complessità del mondo reale dell'impedenza elettrica e può fornire modelli utili di come si comporta la corrente alternata quando applicata al campione.

L'EIS può essere utilizzato per esaminare i microrganismi in un campione. Quando i batteri crescono su un campione, possono cambiare la conduttività elettrica del campione. Usando questa idea, è possibile misurare l'impedenza di un campione a una frequenza per determinare la popolazione di microrganismi. Questa tecnica è nota come microbiologia dell'impedenza.

L'EIS può anche essere utilizzato per lo screening del cancro nei tessuti, noto come impedenza elettrica tissutale. L'impedenza elettrica del tessuto corporeo è determinata dalla sua struttura. Man mano che si degrada nel tempo, cambia anche l'impedenza della corrente elettrica. Proprio come la microbiologia dell'impedenza, questo tipo di test di impedenza esamina la popolazione di cellule e può fornire informazioni utili sulla salute e la morfologia cellulare.

L'EIS viene utilizzato anche nelle industrie di prevenzione della vernice e della corrosione per determinare quanto bene uno strato viene applicato alla superficie di un materiale. I dati EIS corrispondono bene ai processi elettrochimici quotidiani che attaccano le superfici; materiali che mostrano una resistenza elettrica inferiore Equation 15 a quella che potrebbe non proteggere dalla corrosione e materiali con una resistenza più elevata. EIS è una strada per prevedere come i nuovi trattamenti superficiali saranno equi in ambienti difficili senza doverli ricreare, rendendolo uno strumento inestimabile nella prevenzione della corrosione che altrimenti costerebbe agli Stati Uniti miliardi di dollari in riparazioni ogni anno.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter