電化學工作站導論

本書系統(tǒng)介紹了電化學工作站的方法原理、相關理論、測試操作、應用實例分析。全書內(nèi)容分為四部分。第一部分是電化學測試基礎簡介；第二部分是電化學分析測試系統(tǒng)，其中包括電化學工作站及其發(fā)展、運算放大器及其在電化學測試中的應用；第三部分是電化學實驗技術(shù)的詳細介紹；第四部分是核心內(nèi)容，按照計時法（開路電位、電位階躍、電流階躍、電流掃描、電化學噪聲等）、電位掃描伏安法、電位調(diào)制伏安法、交流阻抗法等分類，選擇能夠在多數(shù)電化學工作站運行的主要測試方法，對電位或電流激勵波形與響應信號、常見操作界面及參數(shù)設置、相關理論基礎、應用示例等內(nèi)容進行逐一詳細介紹。
本書可供電化學、電池、電鍍、電解、腐蝕與防護、電分析化學和材料物理與化學等相關領域的科技人員參考。

陳昌國，重慶大學教授/博士生導師。曾獲中國化學會優(yōu)秀青年化學獎、教育部科學技術(shù)二等獎兩項、重慶市教學成果二等獎和重慶市自然科學二等獎，申請專利15項（獲權(quán)10項），發(fā)表論文300余篇。曾任重慶大學化學化工學院副院長，兼任中國化學會理事、重慶市化學化工學會秘書長。

1.本書結(jié)合作者三十多年來在現(xiàn)代電化學領域的科學研究、理論教學、實驗指導等經(jīng)歷，以及近二十余年的電化學分析測試儀器及其微機化軟硬件開發(fā)經(jīng)驗編寫而成。 2.針對跨專業(yè)使用電化學工作站的情況編寫，內(nèi)容側(cè)重應用。 3.每種測試分析方法，都從電位或電流激勵波形與響應信號、操作界面及參數(shù)設置、相關理論基礎、應用示例等角度進行了介紹。

電化學分析測試系統(tǒng)稱為電化學工作站，是進行現(xiàn)代電化學分析測試的主要儀器。電化學工作站經(jīng)歷了與計算機發(fā)展和普及幾乎同步的歷程。從20 世紀80 年代出現(xiàn)，到近二十年的逐漸普及，正好滿足了材料電化學、能源電化學、環(huán)境電化學以及太陽能電池等相關領域近年來大發(fā)展的需要。面對跨專業(yè)廣泛使用電化學工作站的情況，筆者深感急需專門介紹電化學工作站的方法原理、相關理論、測試操作、應用實例分析等內(nèi)容的專業(yè)書籍。
基于計算機化電化學分析測試系統(tǒng)的發(fā)展與普及，筆者多年前就有興趣并計劃撰寫專門介紹現(xiàn)代電化學分析測試方法的專著。本書的撰寫結(jié)合了筆者三十多年的現(xiàn)代電化學研究、理論教學、實驗指導等經(jīng)歷，以及二十余年的電化學分析測試儀器及其計算機化軟硬件開發(fā)經(jīng)驗。
本書包括四部分內(nèi)容。第一部分是電化學測試基礎簡介；第二部分是電化學分析測試系統(tǒng)，其中包括電化學工作站及其發(fā)展、運算放大器及其在電化學測試中的應用；第三部分是電化學實驗技術(shù)的詳細介紹；第四部分是核心內(nèi)容，按照計時法（開路電位、電位階躍、電流階躍、電流掃描、電化學噪聲等）、電位掃描伏安法、電位調(diào)制伏安法、交流阻抗法等分類，選擇能夠在多數(shù)電化學工作站運行的主要測試方法，對電位或電流激勵波形與響應信號、常見操作界面及參數(shù)設置、相關理論基礎、應用示例等內(nèi)容進行詳細介紹。
在撰寫過程中，筆者參閱了許多電化學文獻資料。陳琳博士（實驗技術(shù)）和郭朝中博士（調(diào)制伏安法）在校期間收集了相關章節(jié)的部分資料。在此一并感謝！
教授級實驗師劉渝萍博士撰寫了交流阻抗法的主要內(nèi)容，其余由陳昌國撰寫。全書由陳昌國負責統(tǒng)稿。
由于筆者水平有限，書中缺漏在所難免，敬請讀者批評指正。
特別說明：①本書中的電流一般用小寫字母i 表示，但經(jīng)差減、卷積、交流幅值等變換后則用大寫字母I 表示。②標注星號（*）的方法由于使用范圍有限或主要用于電化學檢測器，故未對其展開介紹。

陳昌國
2023 年秋
于重慶大學虎溪花園

第1章 電化學測試基礎 001
1.1 電化學原理概述 002
1.2 電化學測量基礎 004
1.2.1 電極電位測量方法 004
1.2.2 極化電流測量方法 005
1.3 交流阻抗基礎 006
1.3.1 基本元件及其阻抗特性 006
1.3.2 復合元件及其阻抗特性 007
1.3.3 其他等效電路元件及其阻抗特性010
1.4 交流阻抗測量方法 014
1.4.1 直接比較法015
1.4.2 電橋法015
1.4.3 李沙育圖形法016
1.4.4 快速傅里葉變換法017
1.4.5 頻率響應分析法017
1.4.6 高頻阻抗測試中的二次采樣技術(shù)018

第2章 電化學分析測試系統(tǒng) 019
2.1 電化學工作站簡介 020
2.1.1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu) 020
2.1.2 主要性能與技術(shù)指標021
2.1.3 系統(tǒng)軟件 022
2.1.4 圖形顯示設置 024
2.1.5 濾波器等設置 024
2.1.6 特殊的數(shù)值表示法 024
2.2 恒電位/恒電流控制技術(shù)025
2.2.1 控制電位/電流的經(jīng)典方法 026
2.2.2 恒電位控制技術(shù) 026
2.2.3 恒電流控制技術(shù) 028
2.3 運算放大器概述029
2.3.1 運算放大器簡介 029
2.3.2 運算放大器的功能031
2.3.3 恒電位儀的原理 040
2.4 嵌入式微型化電化學集成電路模塊045
2.4.1 EmStat pico 芯片簡介 045
2.4.2 EmStat pico 開發(fā)板 046
2.5 電化學工作站的發(fā)展概況048
2.5.1 多通道電化學工作站 048
2.5.2 便攜式電化學工作站 049
2.5.3 手機電化學工作站 050

第3章 電化學實驗技術(shù) 051
3.1 電解池技術(shù)052
3.1.1 電解池構(gòu)型與設計 052
3.1.2 三電極系統(tǒng) 054
3.1.3 鹽橋及Luggin 毛細管 055
3.1.4 電解質(zhì)溶液 058
3.1.5 電解液的電位窗口061
3.1.6 電解液除氧061
3.2 參比電極簡介062
3.2.1 標準氫電極 063
3.2.2 甘汞電極 064
3.2.3 硫酸亞汞電極 065
3.2.4 氧化汞電極 066
3.2.5 氯化銀電極 066
3.2.6 特殊參比電極 067
3.3 工作電極與制作方法069
3.3.1 指示電極 069
3.3.2 工作電極的制作 072 
3.3.3 工作電極的表面處理 075
3.3.4 電極的表面積 075
3.4 碳電極 077
3.4.1 石墨電極 078
3.4.2 碳糊電極 079
3.4.3 玻碳電極 079
3.4.4 熱解石墨電極 080
3.4.5 碳纖維電極 080
3.4.6 納米碳電極 080
3.4.7 類金剛石薄膜碳電極081
3.5 超微電極 081
3.5.1 常規(guī)UME 083
3.5.2 陣列電極 083
3.5.3 納米電極 084
3.6 多方式汞電極與極譜法 084
3.6.1 滴汞電極與極譜 085
3.6.2 懸汞電極 087
3.6.3 汞膜電極 088
3.7 旋轉(zhuǎn)圓盤電極技術(shù) 089
3.7.1 旋轉(zhuǎn)圓盤電極 089
3.7.2 旋轉(zhuǎn)圓盤-環(huán)盤電極 093
3.8 絲網(wǎng)印刷電極 095
3.9 溶出分析技術(shù) 095

第4章 計時法 097
4.1 方法1——開路電位法 098
4.1.1 常見測試界面及參數(shù)設置 098
4.1.2 相關理論基礎 099
4.1.3 應用示例 099
4.2 方法2——單電位階躍電流-時間曲線法 100
4.2.1 常見測試界面及參數(shù)設置 101
4.2.2 相關基礎理論102
4.2.3 應用示例105
4.3 方法3*——控制電位整體電解庫侖法 108 
4.4 方法4——雙電位階躍計時安培法109
4.4.1 常見測試界面及參數(shù)設置 110
4.4.2 相關理論基礎 111
4.4.3 應用示例 112
4.5 方法5*——計時庫侖法113
4.6 方法6*——多電位階躍計時電流法115
4.7 方法7——單電流階躍電位-時間曲線法116
4.7.1 常見測試界面及參數(shù)設置 117
4.7.2 相關基礎理論 118
4.7.3 應用示例 119
4.8 方法8——雙電流階躍計時電位法121
4.8.1 常見測試界面及參數(shù)設置122
4.8.2 相關理論基礎123
4.8.3 應用示例125
4.9 方法9*——多電流階躍計時電位法127
4.10 方法10——線性電流計時電位法128
4.10.1 常見測試界面及參數(shù)設置128
4.10.2 相關理論基礎130
4.10.3 應用示例——測定電池極化曲線130
4.11 方法11*——電位溶出分析法131
4.12 方法12*——差分脈沖安培法132
4.13 方法13*——雙差分脈沖安培法134
4.14 方法14*——三脈沖安培法135
4.15 方法15——電化學噪聲法137
4.15.1 常見測試界面及參數(shù)設置137
4.15.2 相關理論基礎138

第5章 電位掃描伏安法 143
5.1 方法16——線性電位掃描伏安法144
5.1.1 常見測試界面及參數(shù)設置145
5.1.2 相關理論基礎146
5.1.3 應用示例150
5.2 方法17——循環(huán)伏安法152
5.2.1 常見測試界面及參數(shù)設置153 
5.2.2 相關理論基礎154
5.2.3 串聯(lián)反應的CV 行為——理論模擬156
5.2.4 應用示例159
5.3 方法18——階梯伏安法 172
5.3.1 常見測試界面及參數(shù)設置173
5.3.2 相關理論基礎174
5.3.3 應用示例176
5.4 方法19——塔菲爾曲線法 176
5.4.1 常見測試界面及參數(shù)設置177
5.4.2 塔菲爾曲線的特點178
5.4.3 應用示例179
5.5 方法20*——掃描-階躍函數(shù)法 180
5.6 方法21——流體力學調(diào)制伏安法 181
5.6.1 常見測試界面及參數(shù)設置182
5.6.2 應用示例182
5.7 方法22——半微積分方法 185
5.7.1 半微積分的定義185
5.7.2 半積分電流的數(shù)值計算方法186
5.7.3 半積分電流的轉(zhuǎn)換電路187

第6章 電位調(diào)制伏安法 189
6.1 方法23——常規(guī)脈沖伏安法 190
6.1.1 常見測試界面及參數(shù)設置190
6.1.2 相關理論基礎 191
6.1.3 應用示例193
6.2 方法24*——差分常規(guī)脈沖伏安法 195
6.3 方法25——差分脈沖伏安法 196
6.3.1 常見測試界面及參數(shù)設置196
6.3.2 相關理論基礎198
6.3.3 應用示例201
6.4 方法26——方波伏安法 202
6.4.1 常見測試界面及參數(shù)設置 203
6.4.2 相關理論基礎 204
6.4.3 應用示例 206
6.5 方法27——交流伏安法206
6.5.1 常見測試界面及參數(shù)設置 207
6.5.2 相關理論基礎 208
6.5.3 應用示例 211
6.6 方法28*——選相交流伏安法213
6.7 方法29——二次諧波交流伏安法214
6.7.1 常見測試界面及參數(shù)設置215
6.7.2 相關理論基礎與應用216
6.8 方法30——傅里葉變換交流伏安法217
6.8.1 常見測試界面及參數(shù)設置217
6.8.2 應用示例219
6.9 方法31*——積分脈沖安培法220

第7章 交流阻抗法 222
7.1 方法32——阻抗-頻率法223
7.1.1 常見測試界面及參數(shù)設置 223
7.1.2 交流阻抗測量中的注意事項 226
7.1.3 應用示例 228
7.2 方法33——阻抗-電位法239
7.2.1 常見測試界面及參數(shù)設置 239
7.2.2 相關理論基礎 240
7.2.3 應用示例 244
7.3 方法34——阻抗-時間法251
7.3.1 常見測試界面及參數(shù)設置251
7.3.2 應用示例 252

附錄 EIS 阻抗擬合軟件簡介 254
一、概述255
二、ZView 軟件簡介255
三、EIS Spectrum Analyser 軟件簡介259

參考文獻 268