被称为EIS，电化学阻抗光谱是一种越来越常见的非破坏性技术，用于分析和鉴定材料的物理化学性质，尤其是在固液（以及电极 - 电解质）界面处。
EIS可以用于一系列电化学设备的研究-电池，燃料电池和超级电容器-介质涂层和微流控芯片，尽管测量数据很复杂。
本文使用MFIA阻抗分析器（或MF-IA选项的MFLI）探讨EIS的方法，并使用简单且可获得的自来水样本。
背景
当处于液态状态时，测量设置与固态的液态相当不同。这源于限制DUT的几何形状的困难。在本文中，电容感测探针用于演示目的（如在REF 1中所示，这里不介绍电感传感器）。
如名称所示，探针的传感部分由一对平行（涂覆的）金属板组成，并且仔细设计以具有1cm（REF 2）的电池常数（k）。
然后可以从电导（g）容易地计算电导率（σ）;前者通常与稀强电解质中的离子浓度线性成比例。
实验装置
测量是通过交流测试信号，它从MFIA上的HCur BNC端口发出-这一过程是由于电容器的性质，阻止直流电流。使用如图1所示的设置连接一个单端电导率探头。
将HCUR，LCUR，HPOT和LPOT端口固定在探针的BNC端，是开展4末端测量的。在开始测量以确保完全润湿之前，将探针的传感部分浸泡在自来水中过夜。
图1所示。一种示出连接到单端电导率探针的MFIA的设置的方案。图片来源:苏黎世仪器
电化学阻抗光谱（EIS）
通过使用Labone软件的“SWEEPER”工具将AC测试电压设置为100 mV并将频率从10 MHz扫描到5 MHz的频率，开始该实验。为了方便起见，可以同时显示测量的幅度和相位（BODE图），如图2所示，简单地检查“双绘图”按钮。
图2。从Labone Sweeper工具衍生的双凸型图，显示了测量的自来水阻抗的幅度和相位从10MHz到5MHz。图片来源:苏黎世仪器
As shown in Figure 3, toggling into Nyquist plot can be as simple as selecting ‘On-Invert’ from the drop-down menu next to ‘XY Mode’ and choosing ‘Impedance 1 Real (Z)’ as the ‘X Signal,’ and ‘IA Imag (Z)’ as Y in the ‘Vertical Axis Groups.’
图3。将15个连续阻抗测量值重新加载到LabOne Sweeper模块中，并在Nyquist图的高频端放大。图片来源:苏黎世仪器
如图2所示，幅度以低于-1的斜率在低频下减小，在100Hz到10kHz范围内变平，并且再次以高频返回到-1斜率。重要的是要注意，在扫描期间，幅度减小了三个数量级。
由于MFIA的自动测距功能，扫描可以顺利完成，无需手动调整输入范围。
在相位术语中，我们可以观察到100Hz到10 kHz区域涉及一个小（非零）角度（该角度最大为-1.2°在1.4 kHz）。另外，迹线从未在测量频率范围内达到-90°（纯电容）。
显然，结果明显不同于一个简单的RC电路模型，这是经常使用在固态dut。这个结果很有趣，值得深入研究。
连续扫描在一个周末设置，以获得更多统计数据。It is key to note that measurements from the ‘Sweeper’ (as well as ‘DAQ’ and ‘Scope’) module can be saved in since the LabOne 19.05 release .h5 format, which permits for convenient reloading either for comparison at a later stage.
通过检查“自动保存”按钮，每个扫描可以自动以单个或多个文件格式存储。根据图3中的奈奎斯特图所描绘，拍摄十五次测量并将其重新装入Labone。
随着时间的推移，自来水的阻抗随着时间的推移而逐渐减少（实际部分移位），这是由于CO的缓慢蒸发2从房间气氛中溶解(参考文献3)。
等效电路建模
该项目将阻抗谱与图4中插入的电路模型进行拟合，以得到有意义的解释。MFIA能够导出。csv， .m (Matlab)， .h5 (HDF5)和。txt格式的清扫器数据，然后可以加载到电路建模程序中。
图4。奈奎斯特图嵌入式等效电路模型安装的自来水阻抗。原始数据标有开放点和由橙色线表示的拟合结果。插图电路显示通过虚线分离的固体（电极） - 液体（电解质）（互联）相。图片来源:苏黎世仪器
重要的是要注意一个Kramers-Kronig分析应该在建模之前进行，以检查测量数据的线性，稳定性和伤亡（REF 3）。表1列出了拟合结果。
表格1。拟合图4中的阻抗谱的结果.Q和N来自CPE;Zw，τ和α来自Warburg短元素。有关参数的详细说明，读者恳请参考5.来源：苏黎世仪器
| 的名字 |
价值 |
错误 |
| R1 |
80.45欧姆 |
3.2％ |
| R2 |
3320欧姆 |
0.29％ |
| C |
1.834×10-10F |
0.58％ |
| 问 |
4.59×10-5欧姆-1年代n |
0.97％ |
| n |
0.845 |
0.51％ |
| ZW. |
1.184×106欧姆年代-0.5. |
11％ |
| τ. |
7.40 S. |
9.6％ |
| α. |
0.780 |
5.6％ |
使用改进的Randles电路，其中R1表示固相中的电阻，主要来自连接电缆的诱导剂以及探头的内阻。
通过使用已知电导率的电解质进行用户补偿进行校准，第一项的影响可以被最小化。后者可以通过连接四个端子尽可能接近电容器板(DUT)，而不是在BNC断路器适配器。
形成在固体液体界面处的电化学双层位于电路的中间。观察到非理想的Warburg短（WS）术语与恒定相块（CPE）结合使用的关键，该恒定相位元素（CPE）取代了别处通常观察到的典型双层电容（REF 5）。
这种复杂的行为是由于自来水含有多种不同的离子甚至非离子物质（Ref 6和7）。由于CPE不透露完美的'-90°，因此，凸型绘图中的斜率略微偏离-1以低频偏差。
液相中自来水的电阻和电容显示在模型（Inset图4）的右侧，其中R2 | C是电阻。高频的-1斜率很好地与电容相关联。
本文的目的是研究液体（自来水）的电导，这就是焦点保留在中炎（100-10kHz）区域上的原因，这是液相（R2）占主导地位的地方。
为了简化复杂的电路，可以想象来自WS和C的影响很小，使得它可以被简化为R1 + R2 + CPE。CPE仅创建相位中的小转移，这使得它在左右1.4 kHz略微“电容”（低于零）。
因此，导电探针的行为类似于电阻器。在波德图中，拟合的溶液电阻R2，即3320欧姆，与测量阻抗(最低相位)3347欧姆很好地匹配。自来水的电导率为30 mS/m，可以使用上面的方程，与报道的范围(参考文献2)一致。
一些电导率探头制造商甚至为简单起见（例如，1 kHz）指定固定频率。这可以是良好的近似，因为这里使用的自来水的阻抗谱显示在100到10kHz之间的宽平坦区域。
然而，当电极电解质接口（由于超级电容器中的明显双层效果）或电解质本身（由于电容溶质等电容器）而变得更加电容，因此这种简化变得无效。
相反，通过从测量的阻抗谱进行电路建模，应该仔细提取电解质电阻。显然，这表明在固定频率下扫过测量的益处。
实时阻抗监控
要完成，重要的是检查实时阻抗进化。在Labone中使用“绘图仪”工具，其中五个包含的API之一（C，LabVIEW，MATLAB，Python和.NET），MFIA能够录制和流测量的数据。
仪器的数据传输速率可设置为107 kSa / s，其比SA / S范围更快，如典型的电导率探头。该过程有助于观察液体中的快速变化过程。
作为示例，图5示出了将少量NaCl盐晶粒添加到测量的自来水中之后，电导增加到970μs（导电性97ms / m，其大于饮用水范围，REF 2）和在8秒内，相位下降至-4.7°。
这支持前面的部分的主张部分，其在固定频率下阻抗测量是较小的。
图5。Labone绘图仪数据显示在1 kHz下测量的阻抗的演变。通过添加NaCl盐引起的电导率和降低的增加。图片来源:苏黎世仪器
结论
此应用笔记探讨如何在大频率范围内使用大频率范围内的MFIA来测量液体中的EIS，而不是以子优化的固定频率。这MFIA一旦确定感兴趣的频率，可以帮助在时域监控快速过程。
因此，这适用于研究电池、超级电容器和微流控应用的电解质性能。此外，MFIA由于其良好的准确性和快速响应，也是阻抗型传感器应用的优秀候选人。
参考
- 泰铢,美国(2005年)。基于平行板电容的盐度(电导率)传感器。毕业论文和学位论文。http://scholarcommons.usf.edu/Etd/2784
- 维基百科。https://en.wikipedia.org/wiki/Conductivity_(电解)
- 李，M等人。（2018）。假胶质涂层，用于有效的电容去离子。ACS应用材料和界面，1欧洲杯足球竞彩0（3），2442-2450。
- Alem，M. Kramers-Kronig测试应用于电路的阻抗测量。https://blogs.zhinst.com/mehdia/2017/09/25/kramers-kronig-test-applied-to -impingance-measurense-of-electrical-circuits/
- Bisquert，J等人。（2000）。通过阻抗分析多孔膜电极的倍增指数模型。在水溶液中松弛TiO2纳米电孔。物理化学B，104（10），2287-2298。
- Sammer，M等人。（2016）。弱磁场的强梯度诱导自来水中的玩货形成。水，8（3），79。
- Sammer, M et al.(2019)。用阻抗谱法测定杂色蚓的生物量。生物阻抗学报，5(1)，92-98。
注意要在很长一段时间内获得更可靠的测量（例如，请将测量频率扩展为1 MHz），将建议使用额外的温度和大气控制。
这些信息已经从苏黎世仪器提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩
有关此来源的更多信息，请访问苏黎世的乐器。