電化學阻抗譜-原理及應用

電化學阻抗譜-原理及應用簡答題:1已知一復雜電化學系統(tǒng)的電路描述碼為R(Q(W(RC))),請畫出其等效電路圖。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)因此整個電路可進一步表示為】R(QCE-2)將復合元件CE-2表示成：(Q(WCE-3))整個等效電路就表示成'R(Q(WCE-3))將簡單的復合元件CE-3表示出來，應表示為(RC),于是電路可以用如下的CDC表示：R(Q(W(RC)))2簡述電極上的法拉第反應過程包括哪些主要步驟？答：電化學反應是復相化學反應，其一般形式為O+ne=R式中O為化合物的氧化態(tài)，R為其對應的還原態(tài)，e為電子，n為氧化還原反應轉移的電子數。整個反應過程也是復雜，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稱為活化過程，步驟1和5稱為傳質過程.這個過程稱為法拉第過程.論述題3:阻抗譜分析技術在太陽能電池領域中的應用(以染料敏化太陽能電池為例)染料敏化太陽能電池是一種將光能轉化為電能的裝置，主要包括以下幾部分：光陽極(TiO2、ZnO、SnO2等)，染料，電解液，對電極等⑴。染料敏化太陽能電池光電轉化效率降低的主要原因是電子和空穴的復合，表現在電化學參數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，通過簡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電池中的載流子的傳輸機理進行研究，但他們的結果并不十分一致。各個研究小組采用各種電化學和光學測試對光電極的反應機理進行研究，指出電子從染料注入到陽極材料的導帶的過程是一個“超快”過程⑶，交流阻抗還是分析發(fā)生在對電極和陽極之間物理-化學過程的強大工具。下面將對交流阻抗的原理，等效電路模型及其在染料敏化太陽能電池中的應用做了一個簡單的介紹。1交流阻抗簡介交流阻抗方法是一種以小振幅的正弦波電位（或電流）為擾動信號的電化學測量方法。由于以小振幅的電信號對體系擾動，一方面可避免對體系產生大的影響，另一方面也使得擾動與體系的響應之間近似呈線性關系，這就使測量結果的數學處理變得簡單。交流阻抗法就是以不同頻率的小幅值正弦波擾動信號作用于電極系統(tǒng)，由電極系統(tǒng)的響應與擾動信號之間的關系得到的電極阻抗，推測電極的等效電路，進而可以分析電極系統(tǒng)所包含的動力學過程及其機理，由等效電路中有關元件的參數值估算電極系統(tǒng)的動力學參數，如電極雙電層電容、電荷轉移過程的反應電阻、擴散傳質過程參數等。一個電極體系在小幅度的擾動信號作用下，各種動力學過程的響應與擾動信號之間呈線形關系，可以把每個動力學過程用電學上的一個線性元件或幾個線性元件的組合來表示。如電荷轉移過程可以用一個電阻來表示,雙電層充放電過程用一個電容的充放電過程來表示。這樣就把電化學動力學過程用一個等效電路來描述，通過對電極系統(tǒng)的擾動響應求得等效電路各元件的數值，從而推斷電極體系的反應機理。同時，電化學阻抗譜方法又是一種頻率域的測量方法，它以測量得到的頻率范圍很寬的阻抗譜來研究電極系統(tǒng),因而能比其他常規(guī)的電化學方法得到更多的動力學信息及電極界面結構的信息。2交流阻抗在染料敏化太陽能電池中的應用染料敏化太陽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)，分別對應于以下三個界面：Pt/電解液、陽極/電解液和染料/陽極。一般的經驗等效電路為：Rs[C1(R1O1)](R2Q2)[3]。在這個等效電路中，R和S分別代表電阻和電容，O是的Yo,1和B參數，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驗模型，還可以根據不同的情況增減相應的元件，滿足不同類型的電池的需要。Chuan等人利用電化學阻抗研究發(fā)現陽極材料表面態(tài)是復合電子的主要因素，降低了電池的光電轉化效率。在光照和暗態(tài)下，選用合適的等效電路模型可以對不同的電解液的性質進行研究。電化學阻抗還可以用來研究染料的給電子集團對電池性能的影響。對染料敏化太陽能電池的阻抗研究可以采取以下研究。測量在不同條件下制備的染料敏化太陽能電池的阻抗譜圖。建立染料敏化太陽能電池的等效電路和阻抗的數學物理模型。結合等效電路和數學物理模型，采用模擬退火算法對阻抗譜圖進行擬合，確定電子轉移過程的重要參數。對譜圖進行分析，研究阻抗譜圖變化與染料敏化太陽能電池結構的變化關系，分析電池內部電阻的分布。通過對阻抗譜圖和重要參數的分析，指出優(yōu)化電池的重要參數，為燃料電池提供理論指導。因此，通過電化學阻抗對染料敏化太陽能電池的性能進行研究，可以調查各部分組成對光電效率的影響，從而對研究電池性能的提高具有重大意義，電化學阻抗是一個非常有效的研究手段。參考文獻：[1]H.Tsubomura,M.Matsumura,YNomura,T.Amamiya,Nature,261(1976):402.⑵Chuanhe,ZhiZheng,HuiliTangetal.PhysicalChemistryC,2009,113:1032210325.Claudialongo,Jilianfreitas,marco-aetal.Journalofphotochemistryandphotob