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电化学阻抗谱原理及其在光电催化中的应用

电化学阻抗谱原理及其在光电催化中的应用. 主讲人 : 钟 敏. 内部资料，组内使用. 内容概要. 背景介绍 电化学阻抗谱的基本原理 阻抗谱图分析 阻抗谱在光电催化中的应用 其它. 光电催化 测试与表征（背景介绍）. 光电催化测试中的常用手段：光电流 - 电势测试、 chronoamperometry ( chopped light irradiation ) 、 IPCE 等。. 光电催化的机理必须使用动力学表征手段，来研究 电荷传输 、 复合及界面电荷转移，当前研究相对较少。

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电化学阻抗谱原理及其在光电催化中的应用

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Presentation Transcript

  1. 电化学阻抗谱原理及其在光电催化中的应用 主讲人: 钟 敏 内部资料，组内使用

  2. 内容概要 • 背景介绍 • 电化学阻抗谱的基本原理 • 阻抗谱图分析 • 阻抗谱在光电催化中的应用 • 其它

  3. 光电催化测试与表征（背景介绍） 光电催化测试中的常用手段：光电流-电势测试、 chronoamperometry (chopped light irradiation) 、 IPCE等。 光电催化的机理必须使用动力学表征手段，来研究电荷传输、复合及界面电荷转移，当前研究相对较少。 1. 时域技术(time-domain technique)：TAS； 2. 频域技术(frequency-domain technique)：EIS, IMPS/VS 等。

  4. G() M X Y 电化学阻抗谱基础 • EIS：Electrochemical Impedance Spectroscopy • 别名：交流阻抗(AC impedance) • 定义：一种以小振幅的正弦波电流为扰动信号的电化学测量方法。 给黑箱（电化学系统M）输入一个扰动函数X，它就会输出一个响应信号Y。用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数G()。若系统的内部结构是线性的稳定结构，则输出信号就是扰动信号的线性函数。 曹楚南、张鉴清著，《电化学阻抗谱导论》，2002

  5. Y/X=G() 如果X为角频率为的正弦波电流信号，则Y为角频率也为的正弦电势信号，此时，传输函数G()也是频率的函数，称为频响函数，这个频响函数就称之为系统Ｍ的阻抗 （impedance)， 用Z表示。 阻抗谱测量的三个基本条件： （1）因果性； （2）线性； （3）稳定性。 曹楚南、张鉴清著，《电化学阻抗谱导论》，2002

  6. 电化学阻抗谱的特点 一种以小振幅的正弦波电流为扰动信号的电化学测量方法： （1）准稳态近似（避免对体系产生大的影响） 使扰动于体系的响应之间近似呈线性关系。 （2）一种频率域的测量方法 以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，速度快的子过程出现在高频区，速度慢的子过程出现在低频区，可判断出含几个子过程，讨论动力学特征。

  7. (Z',Z'') |Z| 虚部Z''  实部Z' 阻抗的表示 阻抗Z是一个随频率变化的矢量，通常用角频率（或一般频率f，=2f）的复变函数来表示，即： 其中： Z'—阻抗的实部， Z''—阻抗的虚部 2 阻抗Z的模值： 阻抗的相位角为

  8. Nyquist plot 高频区 低频区 Bode plot  / deg log|Z| 阻抗谱形式 EIS技术就是测定不同频率(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，然后将这些量绘制成各种形式的曲线，就得到EIS谱。 Nyquist图 Bode图 阻抗模值 的对数 相位角 虚部 实部 频率的对数

  9. 利用EIS进行动力学研究的基本思路 等效电路 EIS谱图 (频率响应) 理论模型 (机理) 将研究对象看作是一个等效电路，它一般由电阻(R) 、电容(C)、电感(L) 等基本元件按串联或并联等方式组合而成。通过EIS拟合可以得出等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的物理含义，来分析电池的结构及载流子动力学性质等。 电阻 R 电容 C 电感 L

  10. -Z'' Z' 简单电路的基本性质 (1). 电阻 欧姆定律： 纯电阻，=0 写成复数： 实部： 虚部： Nyquist 图上为横轴（实部）上一个点 史美伦 编著，交流阻抗谱原理及应用，2001

  11. * -Z'' * * * * Z' (2). 电容 其中 电容的相位角=/2 写成复数： 实部： 虚部： Nyquist 图上为与纵轴（虚部）重合的一条直线

  12. (3). 电阻R和电容C串联的RC电路 串联电路的阻抗是各串联元件阻抗之和 实部： 虚部： Nyquist 图上为与横轴交于R与纵轴平行的一条直线。

  13. (4).电阻R和电容C并联的电路 虚部： 实部： 消去，整理得： 圆心为 (R/2，0), 半径为R/2的圆的方程, Nyquist 图上为半径为R/2的半圆。

  14. 半导体/电解质界面 亥姆霍兹层 空间电荷层 扩散层

  15. 电荷传递过程控制的EIS 如果电极过程由电荷传递过程（电化学反应步骤）控制，扩散过程引起的阻抗可以忽略，则电化学系统的等效电路可简化为： 圆心为 圆的方程 半径为

  16. 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。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。

  17. 常相位元件CPE 在EIS测量中发现，曲线总是或多或少的偏离半圆轨迹，而表现为一段圆弧，被称为容抗弧，这种现象被称为“弥散效应”。原因一般是与电极表面的不均匀性、电极表面的吸附层及溶液导电性差有关，它反映了电极双电层偏离理想电容的性质。

  18. 等效电路 EIS的数据处理与解析 EIS分析常用的方法：等效电路曲线拟合法 （ZSimpWin 或 Z-view软件） 第一步：实验测定EIS。

  19. 阻抗谱测量仪器 Potentiostat (EG&G, M2273) Zahner CIMPS 系统 718房间 706房间

  20. 电路描述码（Circuit Description Code, CDC） 第二步：根据电化学体系的特征，利用电化学知识，估计这个系统中可能有哪些个等效电路元件，它们之间有可能怎样组合，然后提出一个可能的等效电路。

  21. 第三步：利用专业的EIS分析软件，对EIS进行曲线拟合。如果拟合的很好，则说明这个等效电路有可能是该系统的等效电路。第三步：利用专业的EIS分析软件，对EIS进行曲线拟合。如果拟合的很好，则说明这个等效电路有可能是该系统的等效电路。

  22. 最后，利用拟合软件，可得到体系R、Rct、Cd以及其它参数， 再利用电化学知识赋予这些等效电路元件以一定的电化学含义，并计算动力学参数，

  23. 必须注意：电化学阻抗谱和等效电路之间不存在唯一对应关系，同一个EIS往往可以用多个等效电路来很好的拟合。具体选择哪一种等效电路，要考虑等效电路在被侧体系中是否有明确的物理意义，能否合理解释物理过程。这是等效电路曲线拟合分析法的缺点。必须注意：电化学阻抗谱和等效电路之间不存在唯一对应关系，同一个EIS往往可以用多个等效电路来很好的拟合。具体选择哪一种等效电路，要考虑等效电路在被侧体系中是否有明确的物理意义，能否合理解释物理过程。这是等效电路曲线拟合分析法的缺点。

  24. Ef 界面复合 EIS用于太阳电池(两电极体系)与光电催化(三电极体系)的不同之处 最大区别：偏压的作用不同 光电催化 太阳电池 FTO 电解质 CdS

  25. Heterojunction BiVO4/WO3 electrodes for enhanced photoactivity of water oxidation Under simulated solar illumination charge transfer resistance across the interface of electrode/electrolyte. CPE Rct 780.4 Ω 803.6 Ω 1390 Ω 8803 Ω Energy Environ. Sci., 2011, 4, 1781

  26. Charge transfer in iron oxide photoanode modified with carbon nanotubes for photoelectrochemical water oxidation at the applied bias potential of 1.23 V vs. RHE Fe2O3/electrolyte Int. J. Hydrogen Energy, 2011, 36, 9462

  27. Passivating surface states on water splitting hematite photoanodes with alumina overlayers after subsequent cobalt treatment after 3ALD cycles before ALD Assume: the surface of the nanostructured Fe2O3 photoanodes present a high density of trap states, which are partially passivated by the deposited Al2O3 overlayer. Chem. Sci., 2011, 2, 737

  28. EIS（before and after ALD） equivalent circuit dark light high frequency low frequency Rct Csc CH Rsc

  29. Reasons of CSC increases and CH decreases The capacitance is most simply exemplified by a parallel plate capacitor: C=Q/V, with Q for the charge and V for the voltage. The decrease of CH could be explained by improved charge screening of the anions in the Helmholtz layer due to the relatively high dielectric alumina overlayer or by a reduction of the charge density on the surface due to the passivation of surface states. The reason of increase of the Csc: in the absence of surface states, charges (an increase in Q) are depleted from the space-charge layer (rather than from surface states) to balance the applied voltage. Chem. Sci., 2011, 2, 737

  30. Water oxidation at hematite photoelectrodes: the role of surface states Bias, light intensity and electrolyte pH influenced on the performance of PECs JACS, 2012, in press

  31. (A) charge transfer from the valence band (B) charge transfer from the surface states pH 6.9 0.65 V vs Ag/AgCl more consistent results were obtained for the model displayed in (B) 0.7 V vs Ag/AgCl

  32. DOS the energetic distribution of the density of states the formal potential of the oxygen evolution reaction This result suggests an equilibration of trap state energy and hole accepting species in the electrolyte. DOS curves under 1 sun illumination vs. the RHE reference.

  33. Water oxidation at hematite photoelectrodes: the role of surface states the competition between hole transfer and recombination (1) the charge transfer reaction to oxidize water occurs from these surface states rather than from holes from the valence band; (2) the photocurrent onset appears only after holes start to accumulate in these surface sites. PCCP, 2011, 13, 5264 JACS, 2012, in press

  34. 阻抗谱研究的注意事项 （1）必须对相关体系的光电催化机理有一定认识，并且有较好的半导体电化学理论基础； （2）不同体系的阻抗分析不同，不可套用； （3）数据的可比性要求严格，定量分析困难，尽可能使研究对象简单; （4）等效电路不唯一，需要与其它表征手段联用。

  35. 阻抗谱研究的专家 Professor Laurence Peter Department of Chemistry, University of Bath semiconductor photoelectrochemistry and dye-sensitized solar cells. Juan Bisquert Professor of Applied Physics at Universitat Jaume I de Castello´ and leads the Photovoltaic and Optoelectronic Devices Group at the Physics Department.

  36. Summary • EIS is a powerful tool for identifying electronic and ionic transport processes in PECs. • EIS is an excellent tool to investigate different configurations of electrodes in order to determine the charge dynamics

  37. 简单电路的基本性质 正弦电势信号： --角频率 正弦电流信号： --相位角

  38. flat band potential accumulation layer depletion layer inversion layer

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