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电化学阻抗拟合的核心:ZView软件在等效电路建模中的应用

说明:本文详细介绍了电化学阻抗拟合软件ZView的安装及使用方法。通过清晰的步骤说明,从软件下载、安装到具体操作,帮助读者快速上手。文章还讲解了电化学阻抗的基本原理、等效电路的概念及拟合步骤,并结合实例展示了如何通过ZView分析电化学数据。

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什么是电化学阻抗?

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电化学阻抗谱EIS)通过在工作电极上施加电位波并记录电流响应来测量阻抗。如图1从波形中可提取阻抗(Z)、相位角(Φ)、实部阻抗(Zreal)和虚部阻抗(Zimag等参数,并绘制阻抗谱。不同频率下测量这些参数可得到完整的阻抗谱。

在三电极体系中,EIS实验通过固定施加电压进行,可测量溶液电阻(Rs)、电荷传递电阻(Rct)和瓦尔堡阻抗(W等参数,并在Nyquist中显示。瓦尔堡阻抗(W)由分子或氧化还原物质的扩散产生,与频率相关:高频下扩散距离短,瓦尔堡阻抗较小;低频下扩散时间长,瓦尔堡阻抗增加。

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图1:电化学阻抗谱(Nyquist图)。DOI:10.1007/978-1-4419-6996-5_67

当频率与相位角共同绘制时,便形成了Bode(如图2)。Bode图在寻找电化学系统中的电容方面极具价值。相比之下,Nyquist图则常用于分析电阻过程。总体而言,电路中各组成部分的阻抗之和构成了整个电路的总阻抗。在这种情况下,可通过欧姆定律来计算包含多个元件的电路的总阻抗,即Ztotal = Z1 + Z2 + Z3 +…+ Zx

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图2:电化学阻抗谱(Bode)图。DOI:10.1007/978-1-4614-3447-4_30

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什么是等效电路?

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与电解质/界面和氧化还原反应相关的电化学过程可以通过一个包含电阻、电容和电感等电气元件的等效电路来模拟或计算。这种等效电路的设计和构建旨在帮助理解并评估电化学阻抗谱(EIS)系统中的各个组成部分。

在Randles等效电路中,溶液电阻(Rs)、电极表面的双电层电容(Cdl)、电荷转移电阻(Rct)以及瓦尔堡阻抗(Zw)被简化表示,如图3所示。

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图3:简化版的Randles等效电路。

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① 先对下载好的安装包进行解压,右键该安装包,既能找到解压选项。

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图4:ZView压缩包。

② 解压完毕后,右键该文件选项,找到“ZView3”应用程序,右键,添加到桌面。

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图5:ZView程序。

③ 如图6为安装完成界面。

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图6:ZView软件页面。

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电化学阻抗(EIS)拟合步骤

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图7:Zview软件界面功能介绍。

前处理

① 点击文件输入按钮(红色1),选择All file(红色2),选择要导入的txt文档,点击向右箭头(红色3),导入数据。

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图8:数据导入引导。

② 如图9所示,数据导入成功,点击OK

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图9:数据导入引导。

③ 如图10为数据导入界面。

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图10:数据导入成功界面。

④ 选择txt格式,开始选择需要拟合的数据范围,一般情况下会舍去Z”0的数据点。

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图11:数据处理界面。

⑤ 左键放大该区域进行坏点去除:放大选区,如何进行数据点的选择,点击Delete Date Range

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图12:数据坏点去除

建立等效电路

根据电化学体系的特征,利用电化学知识估计系统中可能存在的等效电路元件及其组合方式。相关操作:

① ZView软件上,点开Tool,选择Equivalent Circuits,进入等效电路绘制窗口。如图:

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图13:等效电路拟合操作。

② 根据如图所示,串联/并联电阻元件。

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图14:等效电路建立串联/并联操作说明。

③ 如图所示,根据串联/并联电源组件,建立了一个等效电路。

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图15:等效电路示意图。

即时拟合电路

① 在进行全局拟合之前,我们需先利用即时拟合功能获取各元件的初始值。如图所示,首先点击即时拟合按钮,随后将弹出“Instant Fit”窗口(红色1)。接着,相应的基本等效电路进行即时拟合(红色2)。

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图16:即时拟合界面。

② 完成即时拟合后,即可获得元件的初始值,输入到“Equivalent Circuits”里面。

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图17:即时拟合电路数值填充。

全局拟合

① 然后将Freedom模式里面的Fixed模式换成Free模式(红色1),紧接着设置Fitting模式(红色2),然后按下Run Simulation(红色3,开始阻抗拟合

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18:全局拟合操作界面。

② 点击FitResult,点击数据列表,导出数据,右键,选择红色按钮,即成功导出数据。

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19:数据导出界面。

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