Zview操作介绍 - 图文

实验项目名称 第一部分：实验分析与设计（可加页） 一、 实验内容描述（问题域描述） 本人于今年3月份参与了2013年度武汉理工大学自主创新基金本科生项目并顺利通过了审核，研究课题为“La0.7Ca0.3CrxFe1-xO3-δ电极的阴极电化学性能研究”，属于固体氧化物燃料电池方面。评价固体氧化物燃料电池电极材料优劣的一个重要指标是离子电导率，可利用交流阻抗谱对电极反应过程进行研究，得出相应的等效电路，并计算出材料的离子电导率和离子导电活化能,在此基础上研究烧成温度、化学组成和制备方法对材料离子导电特性的影响。 交流阻抗谱是通过施加小幅度正弦电压,对电极电位在平衡电极电位附近进行微扰,测量其响应电流信号的振幅和相位,计算出电化学系统的复阻抗信息,然后根据提出的等效电路对阻抗谱数据进行拟合,进行电极反应过程的分析。其基本方法是把不同频率下测得的阻抗(Z’)和容抗(Z”)作复数平面图,与测量电池的等效电路模拟的复平面进行对比分析,从而求出样品和电极部分的相应参数。 本项目采用电化学工作站（CHI600c）测量电池的交流阻抗谱，所得数据用所带测试软件CHI600c导出为txt文档（见3(a)原始数据.txt）。下面是La2NiO4+δ在800℃，空气环境中所测得的交流阻抗谱原始实验数据： 二、 实验基本原理与设计（包括实验方案设计，实验手段的确定，试验步骤等，用硬件逻辑或者算法描述） 实验原理：1.交流阻抗谱的基本原理 当对电池加上正弦波的电压微扰(E0sinωt)时，所产生的电流为I0sin(ωt+θ)。式中，ω=2πf，f为交流频率，t为时间，θ为电流对于电压的相位移。则电池的阻抗可用复数表示: 其中，实数部分Z’=R；虚数部分Z” =1。 ωC根据交变电路理论分析可知，当等效电路是由电阻R和电容C并联时，在阻抗谱中可以得到一个半圆曲线(见图1)。半圆顶点处满足关系式ω*RC:l。如果是不可逆电极，通常在阻抗谱的高频部分出现一半圆而低频部分出现一条近似的直线，即出现恒相角阻抗(CPA)，这条近似直线与电极/电解质界面的粗糙程度有关(见图2)。 图1.等效电路及对应的阻抗谱 图2.考虑电极界面的等效电路及对应阻抗谱 2.固体氧化物燃料电池阴极的等效电路 固体氧化物燃料电池阴极的氧化还原中主要存在表面过程、扩散过程以及界面反应3个极化过程。其中界面反应对应的频率在105Hz左右，表面过程在104-102Hz之间，而扩散过程对应频率在101-10-1Hz。这3个过程分别等效于图1中的R、C并联，而电解质存在一定的电阻R0，导线和电极卷绕产生电感，这些相互之间为串联关系。如图3所示。 图3.阴极氧还原反应等效电路 方案设计：通过电极反应各个过程的等效电路来对实验数据进行拟合，最后将得到的数据绘制成阻抗谱图。 实验手段的确定：ZView是用于阻抗分析的一款软件，可对电化学阻抗谱数据进行拟合。通过ZView设置等效电路，删除不需要的数据进行拟合，方便对电极阻抗进行分析。 试验步骤：将CHI600c中的测试数据导出，用规范化软件除以电极面积后得到单位面积阻抗。再将规范化后的数据导入到ZView中进行拟合，最后导出数据到Origin中完善和修饰。 三、 主要仪器设备及耗材 本实验所用到的软件有：电化学工作站测试软件CHI600c、阻抗规范化Normalize、ZView、 Origin、Note book。 第二部分：实验调试与结果分析（可加页） 一、实验调试 （1）数据规范化 将CHI600c中的测试数据导出（见3(a)原始数据.txt），打开规范化软件Normalize，输入面积（本实验制作的是直径为6mm的电解质陶瓷圆片，因此输入面积为0.2826cm2），得到文件3(a)规范化数据.txt。 （2）ZView拟合 ①激活数据：单击ZView菜单栏【Open Data Files】在打开的【Select Data Files】对话框中双击实验数据，单击【OK】，在当前数据框中选中实验数据进行激活，然后点击菜单栏【Autolocate All Graphs】图标即可显示交流阻抗谱图。将图谱上激活点图标移至不需要的数据点上，点击菜单栏【Tools】中【Delete Data Point】即可去除坏点。 ②设置等效电路：点击菜单栏【Equivalent Circuits】，在打开的对话框中右击等效电路图【New】→【Series(after)】设置串联元件,在Element Type下拉框中选元件类型，在Element Name中填元件名，同样可通过【New】→【Parallel(after)】设置并联元件。最后照图3完成等效电路。 ③即时拟合：即时拟合指通过对各个部分进行拟合，为后面的拟合获得初值。由上面原理部分提到的各个过程对应频率范围选定拟合区域（例如本实验中频率为21480Hz数据点和频率为4590Hz数据点之间的高频区可视为界面反应过程），点击菜单栏【Instant Fit】图标，在打开的对话框中点击【Rs(CPE-Rp)】等效图即开始进行即时拟合。将Rs数据拖拽到【Equivalent Circuits】对话框中R0数值框中，CPE-T、CPE-P、Rp数值分别拖拽到【Equivalent Circuits】对话框中CPE1-T、CPE1-P、R1处。然后分别选择表面过程、扩散过程区域，按上述步骤操作（由于R0是电解质电阻，即图中实验数据与横轴交点，因此只需填第一个过程数值即可）。 ④全谱拟合 将【Equivalent Circuits】对话框中【freedom】栏fixed状态全部改为free，在L0数值框输入初值0.0000007（此体系的电感一般在10-7左右），点击【Run Fitting】进行拟合。由于CPE-P代表双电层偏离纯电容的程度，因此所有的CPE-P不得大于1，然后调整其他的CPE-T、CPE-P，将前面的状态由free改为fixed，再次点击【Run Fitting】，曲线不断重复上述步骤，直至拟合曲线与实验曲线基本吻合。(需将Edit Fit Parameters图表中选择Fitting、All points) ⑤导出数据 点击菜单栏【Tools】→【Component Calculations…】在打开的对话框中【Subtraction】一列选中【Series L】，在下方【Component Value】框中输入拟合所得的电感值，即可删除实验中所不需要的电感部分。在当前数据框中激活~FitResult拟合数据按上述步骤同样删除电感数据。最后在图谱空白处右键【Export Data】即可输出数据（见3(a)拟合数据）。 （3）Origin绘图 将拟合数据导入到Origin中，选中所有列，单击2D Graph工具栏的【Line】按钮绘图，图层标识1 上单击右键， 打开快捷菜单， 然后单击【Layer Contents…】命令打开【Layer Contents】对话框，选中数据，点击【Ungroup】解除群组。单击菜单命令【Format 】→【Plot. .】打开【Plot Details】对话框，选中第一个数据，在【Plot Type】下拉菜单中选择【Scatter】，在【Symbol】选项卡更改图标，选中第二个数据，修改线型、颜色。 双击Y轴，在打开的【Y Axis - Layer 1】对话框中的【Scale】标签卡中设置Y 轴刻度范围及增量，单击【Title & Format】标签卡，选择Right，勾选【Show Axis & Tick】，并将【Major】和【Minor】均选为None，对Top作相同操作，单击【确定】。双击图例修改图例名称。Tools 工具栏上点击【Text Tool】即可在相应区域添加文字进行标注。 二、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等） 结果描述：实验所拟合的交流阻抗谱如下所示： B C A D 从图中可看出，交流阻抗谱主要由3个圆弧组成，即图中AB、BC、CD三段。 实验现象分析：可以观察到各阻抗谱均明显不对称,这表明阻抗谱包含多个电极过程阻抗响应的贡献。而固体氧化物燃料电池阴极氧还原催化反应主要分为以下几个步骤进行：①氧分子在阴极表面的吸附与解离；②氧原子与阴极进行电子交换成为氧离子；③氧离子在阴极材料中通过体扩散的方式输运到阴极/电解质界面；④氧离子穿越阴极/电解质界面进入电解质。 ⌒⌒由相关文献可知，AB段弛豫频率为105 Hz数量级的水平，由此推断AB段对应的电极⌒过程为氧离子穿越电极/电解质界面进入电解质的过程即过程④。BC段弛豫频率的数量级为104-102Hz，据此可以认为这一段电极过程可归属于电极表面的氧交换过程即过程①、②。而低⌒频区CD段f为101Hz的水平对应扩散过程③。 影响因素讨论：具体来说，在氧还原的以上反应步骤中，步骤②和步骤③主要受阴极材料的电子——离子混合导电性能的影响，步骤①主要受阴极晶粒粒径、阴极层的厚度和孔隙率的影响，步骤④主要受阴极与电解质接触状态的影响。因此，总体上，浆料固含量、造孔剂、起始粉料粒度、烧结温度等对阴极的交流阻抗谱均有影响。 综合分析和结论： 1. 交流阻抗谱是通过施加小幅度正弦电压,对电极电位在平衡电极电位附近进行微扰,测量其响应电流信号的振幅和相位,计算出电化学系统的复阻抗信息,然后根据提出的等效电路对阻抗谱数据进行拟合,进行电极反应过程的分析。 2.本实验采用ZView通过各个电极反应过程的等效电路对实验数据进行拟合，得到常相⌒⌒⌒角、极化电阻等数据，再用Origin进行绘图。所得结果与理论的RC并联阻抗谱图符合较好。 3.由于阴极氧还原的四个步骤与材料电子——离子混合导电性能、晶粒粒径、阴极层的厚度和孔隙率等因素有关，因此浆料固含量、造孔剂、起始粉料粒度、烧结温度等对阴极的交流阻抗谱均有影响。

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