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電気化学インピーダンス基礎
オーム法則より、直流電位、電流と抵抗の関係は式(１)を示します。
E = i R (1)
交流信号に関して、式(2)を示します。
Eac = iac Z (2)
Zはインピーダンスと言います。
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抵抗に交流信号を印加すると、電圧と電流の位相は一致です。即ち、位相のずれはありません。
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コンデンサーに交流信号を印加すると、電圧と電流の位相はずれがあり、90度の位相ずれです。
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| 右図は抵抗とコンデンサーの組み合わせ回路です。回路に交流電位を印加し、周波数が変わると、下図のように、インピーダンスデータを得られます。 Nyquistプロットは(又はCole-Coleプロットと言います。）X軸は実数のインピーダンス(Z')、Y軸は虚数のインピーダンス(Z'')です。 Bodeプロットは通常二つの図を同時に表示されます。周波数スキャンにより、位相のずれ、と周波数スキャンにより、トータルインピーダンス(Z)の変化。 |
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AUTOLAB電気化学装置のR(RC)回路インピーダンスデータ
CとQの比較 下図の断線はFerri/Ferro溶液のインピーダンス測定データです。このデータを分析し、等価回路R1(C1[R2W1])を作りました。この等価回路をシミュレーションした曲線は実線です。両曲線は合わない所があります。 合わない原因は回路のC要素は適当ではないと見られます。
| Q (Constant
Phase Element) コンデンサーCはよく、知られています。しかし、電気化学インピーダンス測定データを等価回路と比較する時に、測定された曲線と等価回路シミュレーション曲線は合わないことがあります。そこで、等価回路にCをQ(CPE)と書き換えて、シミュレーションを行うと、両曲線が一致することになります。 Q の物理的な意味は右図のように、コンデンサー表面の荒さより、CとRの両成分を持つ元素になります。 Z = 1/ (ωQ)n n = 1 コンデンサーCのみになります。 n = 0 抵抗Rのみになります。 |
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R1(Q1[R2W1])回路のフィッティング FRAソフトにのフィッティング機能を利用し、R1(Q1[R2W1])回路を選択すれば、両曲線はきれいに一致することになります。
Zwワールブルグインピーダンス 電極反応には、界面の電荷移動過程や物質拡散過程等の反応からなっています。RΩは溶液抵抗、Cdl又はCPEは二重層容量、Rpは電荷移動抵抗、Zwワールブルグインピーダンスです。
各種回路
シミュレーションとフィッティングための等価回路要素 FRAソフトに下記の回路元素を提供しています。これらの元素を利用して、容易に測定されデータを解析できます。
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