電化學(xué)阻抗譜-原理及應(yīng)用

電化學(xué)阻抗譜-原理及應(yīng)用簡(jiǎn)答題:1已知一復(fù)雜電化學(xué)系統(tǒng)的電路描述碼為R(Q(W(RC))),請(qǐng)畫出其等效電路圖。答：按規(guī)則(1)將這一等效電路表示為:RCE-I按規(guī)則(2),CE-1可以表示為(QCE-2)因此整個(gè)電路可進(jìn)一步表示為】R(QCE-2)將復(fù)合元件CE-2表示成：(Q(WCE-3))整個(gè)等效電路就表示成'R(Q(WCE-3))將簡(jiǎn)單的復(fù)合元件CE-3表示出來(lái)，應(yīng)表示為(RC),于是電路可以用如下的CDC表示：R(Q(W(RC)))2簡(jiǎn)述電極上的法拉第反應(yīng)過(guò)程包括哪些主要步驟？答：電化學(xué)反應(yīng)是復(fù)相化學(xué)反應(yīng)，其一般形式為O+ne=R式中O為化合物的氧化態(tài)，R為其對(duì)應(yīng)的還原態(tài)，e為電子，n為氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程也是復(fù)雜，有很多步驟組成：O從溶液本體遷移到電極/溶液界面；O在電極表面上吸附；在電極上得到電子,還原成RR從電極表面解吸R從電極/溶液界面遷移到溶液本體步驟2到4稱為活化過(guò)程，步驟1和5稱為傳質(zhì)過(guò)程.這個(gè)過(guò)程稱為法拉第過(guò)程.論述題3:阻抗譜分析技術(shù)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用(以染料敏化太陽(yáng)能電池為例)染料敏化太陽(yáng)能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要包括以下幾部分：光陽(yáng)極(TiO2、ZnO、SnO2等)，染料，電解液，對(duì)電極等⑴。染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率降低的主要原因是電子和空穴的復(fù)合，表現(xiàn)在電化學(xué)參數(shù)中為界面電阻的增大。Hauch[2]等人使用交流阻抗研究電池的電阻，通過(guò)簡(jiǎn)單的等效電路模型分析電阻RCT。另外一些研究小組采用交流阻抗對(duì)電池中的載流子的傳輸機(jī)理進(jìn)行研究，但他們的結(jié)果并不十分一致。各個(gè)研究小組采用各種電化學(xué)和光學(xué)測(cè)試對(duì)光電極的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，指出電子從染料注入到陽(yáng)極材料的導(dǎo)帶的過(guò)程是一個(gè)“超快”過(guò)程⑶，交流阻抗還是分析發(fā)生在對(duì)電極和陽(yáng)極之間物理-化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)大工具。下面將對(duì)交流阻抗的原理，等效電路模型及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。1交流阻抗簡(jiǎn)介交流阻抗方法是一種以小振幅的正弦波電位（或電流）為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法。由于以小振幅的電信號(hào)對(duì)體系擾動(dòng)，一方面可避免對(duì)體系產(chǎn)生大的影響，另一方面也使得擾動(dòng)與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，這就使測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)單。交流阻抗法就是以不同頻率的小幅值正弦波擾動(dòng)信號(hào)作用于電極系統(tǒng)，由電極系統(tǒng)的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系得到的電極阻抗，推測(cè)電極的等效電路，進(jìn)而可以分析電極系統(tǒng)所包含的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其機(jī)理，由等效電路中有關(guān)元件的參數(shù)值估算電極系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如電極雙電層電容、電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的反應(yīng)電阻、擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程參數(shù)等。一個(gè)電極體系在小幅度的擾動(dòng)信號(hào)作用下，各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間呈線形關(guān)系，可以把每個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程用電學(xué)上的一個(gè)線性元件或幾個(gè)線性元件的組合來(lái)表示。如電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程可以用一個(gè)電阻來(lái)表示,雙電層充放電過(guò)程用一個(gè)電容的充放電過(guò)程來(lái)表示。這樣就把電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程用一個(gè)等效電路來(lái)描述，通過(guò)對(duì)電極系統(tǒng)的擾動(dòng)響應(yīng)求得等效電路各元件的數(shù)值，從而推斷電極體系的反應(yīng)機(jī)理。同時(shí)，電化學(xué)阻抗譜方法又是一種頻率域的測(cè)量方法，它以測(cè)量得到的頻率范圍很寬的阻抗譜來(lái)研究電極系統(tǒng),因而能比其他常規(guī)的電化學(xué)方法得到更多的動(dòng)力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息。2交流阻抗在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用染料敏化太陽(yáng)電池的交流阻抗譜圖一般分為三部分，分別位于高頻，中頻和低頻區(qū)，分別對(duì)應(yīng)于以下三個(gè)界面：Pt/電解液、陽(yáng)極/電解液和染料/陽(yáng)極。一般的經(jīng)驗(yàn)等效電路為：Rs[C1(R1O1)](R2Q2)[3]。在這個(gè)等效電路中，R和S分別代表電阻和電容，O是的Yo,1和B參數(shù)，Q代表常相位元件。等效電路如圖1[4]所示。C] CPERj R2圖1交流阻抗等效電路圖上述等效電路為一般經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，還可以根據(jù)不同的情況增減相應(yīng)的元件，滿足不同類型的電池的需要。Chuan等人利用電化學(xué)阻抗研究發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極材料表面態(tài)是復(fù)合電子的主要因素，降低了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。在光照和暗態(tài)下，選用合適的等效電路模型可以對(duì)不同的電解液的性質(zhì)進(jìn)行研究。電化學(xué)阻抗還可以用來(lái)研究染料的給電子集團(tuán)對(duì)電池性能的影響。對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的阻抗研究可以采取以下研究。測(cè)量在不同條件下制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的阻抗譜圖。建立染料敏化太陽(yáng)能電池的等效電路和阻抗的數(shù)學(xué)物理模型。結(jié)合等效電路和數(shù)學(xué)物理模型，采用模擬退火算法對(duì)阻抗譜圖進(jìn)行擬合，確定電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的重要參數(shù)。對(duì)譜圖進(jìn)行分析，研究阻抗譜圖變化與染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系，分析電池內(nèi)部電阻的分布。通過(guò)對(duì)阻抗譜圖和重要參數(shù)的分析，指出優(yōu)化電池的重要參數(shù)，為燃料電池提供理論指導(dǎo)。因此，通過(guò)電化學(xué)阻抗對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的性能進(jìn)行研究，可以調(diào)查各部分組成對(duì)光電效率的影響，從而對(duì)研究電池性能的提高具有重大意義，電化學(xué)阻抗是一個(gè)非常有效的研究手段。參考文獻(xiàn)：[1]H.Tsubomura,M.Matsumura,YNomura,T.Amamiya,Nature,261(1976):402.⑵Chuanhe,ZhiZheng,HuiliTangetal.PhysicalChemistryC,2009,113:1032210325.Claudialongo,Jilianfreitas,marco-aetal.Journalofphotochemistryandphotob