电化学阻抗谱（EIS）简析，新手入门看这一篇就够了！

电化学阻抗谱（EIS）是通过对电化学系统施加小幅度的正弦波电位（或电流）扰动信号，测量系统产生的相应电流（或电位）响应，从而得到阻抗谱图。该谱图反映了电化学系统的阻抗随频率的变化关系，提供了丰富的界面结构和动力学信息。

1.1利用EIS研究一个电化学系统的基本思路

将电化学系统视为一个由电阻（R）、电容（C）、电感（L）等基本元件按串联或并联方式构成的等效电路。通过EIS，可以定量的测定这些元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。

1.2电化学系统的交流阻抗的含义

EIS通过测量这些响应信号，获取电化学系统的阻抗或导纳随频率的变化关系。阻抗和导纳是复数，包含了实部和虚部，分别对应着电化学系统的电阻和电容（或电感）特性。这些复数数据可以绘制成阻抗谱图或导纳谱图，直观地展示电化学系统的阻抗或导纳随频率的变化规律。

EIS技术就是测定不同频率w（f）的扰动信号X和响应信号Y的比值，得到不同频率下阻抗的实部Z’、虚部Z”、模值|Z|和相位角f，然后将这些量绘制成各种形式的曲线，就得到EIS抗谱。常用的电化学阻抗谱有两种：一种叫做奈奎斯特图（Nyquist plot）， 一种叫做波特图（Bode plot）。

1.3交流阻抗测量的前提条件

（1）因果性条件（causality）

输出的响应信号只是由输入的扰动信号引起的。

（2）线性条件（linearity）

输出的响应信号与输入的扰动信号之间存在线性关系。电化学系统的电流与电势之间是动力学规律决定的非线性关系，当采用小幅度的正弦波电势信号对系统扰动，电势和电流之间可近似看作呈线性关系。通常作为扰动信号的电势正弦波的幅度在5mV左右，一般不超过10mV。

（3）稳定性条件（stability）

扰动不会引起系统内部结构发生变化，当扰动停止后，系统能够回复到原先的状态。可逆反应容易满足稳定性条件；不可逆电极过程，只要电极表面的变化不是很快，当扰动幅度小，作用时间短，扰动停止后，系统也能够恢复到离原先状态不远的状态，可以近似的认为满足稳定性条件。

2.2 电荷传递过程控制的EIS

电极过程的控制步骤为电化学反应步骤时，Nyquist图为半圆，据此可以判断电极过程的控制步骤。从Nyquist图上可以直接求出RW和Rct。由半圆顶点的w可求得Cd。

提示：在阻抗谱图中，本应表现为纯电容或纯电阻特性的频率区域，实际上却呈现出一种介于两者之间的行为称为“弥散效应”。这种效应使得阻抗谱图的形状变得更为复杂，不再是简单的半圆或直线，而是呈现出一种“弥散”的特征。

弥散效应的产生与多种因素有关。首先，电极表面的不均匀性、粗糙度以及吸附物的存在都可能影响电极的电容行为，导致弥散效应的出现。其次，电解质溶液中的离子传导性、浓度分布等因素也可能对弥散效应产生影响。此外，测量过程中可能存在的噪声、误差等因素也可能对阻抗谱的形状产生干扰，从而加剧弥散效应。

弥散效应的存在使得对EIS数据的解析变得更为复杂。为了准确理解电化学系统的性质和行为，研究者需要采用更为精细的等效电路模型来描述弥散效应。这些模型通常包含一些额外的元件，如常相位角元件（CPE）等，以更好地拟合实际的阻抗谱数据。

同时，为了减少弥散效应的影响，需要在测量过程中采取一些措施。例如，优化电极的制备工艺，提高电极表面的均匀性和光滑度；选择合适的电解质溶液和浓度，以减少离子传导性和浓度分布对弥散效应的影响；采用高精度的测量设备和方法，以降低噪声和误差对阻抗谱形状的干扰。

2.3电荷传递和扩散过程混合控制的EIS

Nyquist图上扩散控制表现为倾斜角π/4（45°）的直线。电极过程由电荷传递和扩散过程共同控制时，在整个频率域内，其Nyquist图是由高频区的一个半圆和低频区的一条45度的直线构成。高频区为电极反应动力学（电荷传递过程）控制，低频区由电极反应的反应物或产物的扩散控制。扩散阻抗的直线可能偏离45°，原因：电极表面很粗糙，以致扩散过程部分相当于球面扩散；除了电极电势外，还有另外一个状态变量，这个变量在测量的过程中引起感抗。

2.4 复杂或特殊的电化学体系

对于复杂或特殊的电化学体系，EIS谱的形状将更加复杂多样。只用电阻、电容等还不足以描述等效电路，需要引入感抗、常相位元件等其它电化学元件。

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