電化學(xué)工作站的技術(shù)參數(shù)
目的
這個(gè)技術(shù)報(bào)告的目的在于幫助您更好地了解電化學(xué)工作站的功能和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。規(guī)格說明書里常提到的典型參數(shù)在報(bào)告中都做了相應(yīng)的解釋。另外，該報(bào)告還顯示了哪些參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用為相關(guān)，同時(shí)指出了應(yīng)用中需要注意的地方。
引言
在購買電化學(xué)工作站時(shí)，很多相關(guān)因素很重要。“越多越好”這個(gè)原則在此處不再適用。相反，電化學(xué)工作站的技術(shù)參數(shù)應(yīng)當(dāng)與您的實(shí)驗(yàn)需求相匹配：
您是在尋找一個(gè)普適的儀器還是一臺高精度的電化學(xué)工作站？
您想要一臺用于高功率設(shè)備測試的電化學(xué)工作站嗎？
您需要的電化學(xué)工作站應(yīng)是便攜式的呢，還是固定系統(tǒng)？
您需要單個(gè)的電化學(xué)工作站還是多通道的測試系統(tǒng)？
不過，單個(gè)設(shè)備是不能夠滿足所有的要求的，特別是當(dāng)你把投資成本看成一個(gè)同樣重要的因素。規(guī)格說明書會告訴您這臺儀器能夠做什么，幫助您縮小適合的儀器選擇范圍。根據(jù)您想要做的，一些技術(shù)參數(shù)的相關(guān)度會更高。捫心自問：您了解規(guī)格說明書里所有參數(shù)的含義嗎？您能夠根據(jù)您的需求按優(yōu)先值進(jìn)行購買嗎？
在以下的章節(jié)，我們將嘗試對這些問題做一些說明。我們會向您解釋電化學(xué)工作站規(guī)格說明書里出現(xiàn)的典型參數(shù)。由于大多數(shù)術(shù)語與具體的電化學(xué)工作站元件直接相關(guān)，該技術(shù)報(bào)告主要關(guān)注的是電化學(xué)工作站的安裝和基本功能部分。
基本信息
圖1展示了一個(gè)電化學(xué)工作站的簡化示意圖。電化學(xué)工作站用工作電極，工作感應(yīng)電極，對電極及參比電極導(dǎo)線與一個(gè)測試電解池相連。工作電極是用于學(xué)習(xí)電化學(xué)過程的電極。電解池內(nèi)部的電勢通過參比和工作感應(yīng)電極進(jìn)行測定。流經(jīng)兩個(gè)感應(yīng)電極的電流進(jìn)行了小化（理想的情況是零）。對電極用于完善電路。
電化學(xué)工作站的輸出信號可以通過電腦控制。測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)將被返送到電腦內(nèi)為后續(xù)分析所用。
圖1 電化學(xué)工作站簡化示意圖
信號發(fā)生器創(chuàng)建用戶所需的信號形式（例如常數(shù)值，斜升，正弦波），然后將其發(fā)送至控制放大器?？刂品糯笃鲗⑿盘栃问绞┘佑陔娊獬?，通過調(diào)節(jié)信號的振幅以使其與用戶的輸入值相符。施加的信號可以是電壓（恒電位模式）或電流（恒電流模式）。
參比和工作傳感電極間的電勢差由電位計(jì)進(jìn)行測量。此外，測得的電壓信號被返送回控制放大器，并與期望電壓值相比較。如果有誤差，控制放大器的輸出信號將做相應(yīng)調(diào)整以抵消初始擾動(dòng)。
流經(jīng)電解池的電流由電流電壓轉(zhuǎn)換器（I/E轉(zhuǎn)換器）測量。為此，電流信號將轉(zhuǎn)換成電壓信號。這由I/E轉(zhuǎn)換器中的電阻器（Rm）來完成。在電阻器上測得的電壓降ΔU與流經(jīng)電解池的電流I成正比（方程1）。
下面我們將討論一些能夠提供有價(jià)值的電化學(xué)工作站功能信息的術(shù)語。
系統(tǒng)
這一章節(jié)中提到的參數(shù)概述了電化學(xué)工作站。我們列舉了一些基本技術(shù)參數(shù)以幫助您縮小對合適的儀器的選擇范圍。
電解池連接
大部分的電化學(xué)工作站可使用工作電極，工作傳感電極，對電極和參比電極導(dǎo)線，支持二，三，四電極裝置。這三種裝置覆蓋了大部分的電化學(xué)應(yīng)用。
在一些特殊的應(yīng)用里，輔助傳感導(dǎo)線充當(dāng)著第五電位計(jì)或者替代了參比導(dǎo)線。后者常用于零電阻電流計(jì)（ZRA）實(shí)驗(yàn)，例如噪聲測試和電化學(xué)腐蝕。
一些電化學(xué)工作站配備有輔助電位計(jì)通道（AUX通道）。這些通道可以用來偵測多個(gè)參比電極或者監(jiān)測堆棧配置中的單個(gè)電解池電壓，例如串聯(lián)中的多個(gè)電池。
大電流
大電流了電化學(xué)工作站的電流上限，跟外加電流和測試電流有關(guān)。這表示控制放大器不能驅(qū)動(dòng)更多的電流進(jìn)入電解池。相反地，I/E轉(zhuǎn)換器不能測量比大電流更高的電流值。
當(dāng)您在尋找一個(gè)電化學(xué)工作站時(shí)，我們建議您先評估一下您的實(shí)驗(yàn)需要多大的電流。當(dāng)您的測試在毫安的范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)，就沒有必要買一臺大電流有好幾個(gè)安培的電化學(xué)工作站了。高功率設(shè)備的投資成本通常較高，因?yàn)樗麄兊膹?fù)雜度比較高。另外，高功率設(shè)備在低電流區(qū)間不夠準(zhǔn)確。因此，您應(yīng)該確定電化學(xué)工作站的電流范圍。
電流量程（包括內(nèi)部增益）
在過去數(shù)十年中，電流量程（也稱為I/E范圍）允許在很寬的電流范圍內(nèi)測量并確保精度。規(guī)格說明書中通常會例舉電流量程的數(shù)值，還有低和高可獲得的電流范圍。
I/E轉(zhuǎn)換器通過測量電阻器上的電壓降來計(jì)算通過電解池的電流（方程1）。在實(shí)際中，電化學(xué)工作站采用大量可跨越幾個(gè)數(shù)量級的不同的可切換電阻器。每一個(gè)電阻器決定了一個(gè)電流量程。越敏感的量程需要越多的電阻器。
電流量程的重要性在圖2中突出體現(xiàn)，圖2顯示了三條使用不同電流量程掃描的電容器的循環(huán)伏安曲線。綠色的曲線是用一個(gè)合適的I/E范圍測試的。通過選擇一個(gè)稍不敏感的I/E范圍（藍(lán)色曲線），信號噪聲變得非常明顯。不過過度敏感的電流量程（紅色曲線）會去掉曲線的某些峰。電化學(xué)工作站不能夠測量更高的電流。Gamry的軟件將此顯示為電流過載信號（I OVLD）。
圖2 使用不同電流量程掃描得到的電容器循環(huán)伏安曲線。詳情請見正文。
在Gamry的FrameworkTM軟件中，你可以將電流量程設(shè)置為定值或者自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)量程使用一種算法選擇合適的電流量程，然后在實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)地調(diào)節(jié)它。
你也經(jīng)常能看到一個(gè)跟電流量程有關(guān)的術(shù)語叫內(nèi)部增益。這意味著I/E轉(zhuǎn)換器可以將測得的信號放大。這個(gè)特征對在低電流端增加額外量程有益。Gamry使用因數(shù)10到100。所有其他的電流量程使用增益因子1。
內(nèi)部增益有一個(gè)實(shí)際的存在原因。如前面所提，越敏感的I/E范圍需要更大的電阻器。到一定程度，更大的電阻器不僅不容易獲得而且非常貴。不過，內(nèi)部增益也有一個(gè)缺點(diǎn)。通過放大測得的信號，噪聲也被放大了。因此在測量低電流時(shí)，確保合適的設(shè)置和使用法拉第籠顯得更為重要了。
大施加電位
大施加電位描述的是電化學(xué)工作站可以施加到電解池上的大電壓或者是電化學(xué)工作站可以測量的工作傳感和參比電極間大電壓值。如果超過了這個(gè)數(shù)值，電壓過載（V OVLD）信號將顯示在Gamry的Framework軟件中。
不要將大施加電位與電化學(xué)工作站的槽壓相混淆。槽壓會影響控制放大器施加在對電極和工作電極之間的大電壓（見下文）。
上升時(shí)間
上升時(shí)間指的是一個(gè)信號上升或下降所需的時(shí)間。通常，它被為信號振幅值在10%到90%之間的時(shí)間（見圖3）。上升時(shí)間越短，系統(tǒng)對信號變化的反應(yīng)越快。這對于需要快速信號變化的測試?yán)缑}沖伏安法或者阻抗譜等尤其重要。
圖3 外施信號圖解，用于說明上升時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率
不過，上升時(shí)間本身其實(shí)沒有太大的意義。如圖3所示，它很容易隨著振幅的增加或者轉(zhuǎn)換速率的改變而改變。這個(gè)信號變化可以通過電化學(xué)工作站速度設(shè)置來控制（詳見下文）。
小基準(zhǔn)時(shí)間
小基準(zhǔn)時(shí)間是電化學(xué)工作站可能的快采樣率，通常在微秒范圍。
進(jìn)行涉及到快速信號變換的實(shí)驗(yàn)和時(shí)間分辨率很重要的實(shí)驗(yàn)時(shí)，請考慮到這個(gè)參數(shù)，例如在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)或信號衰減實(shí)驗(yàn)中。
噪聲和紋波
噪聲和紋波是描述控制放大器輸出信號的總噪聲的兩個(gè)術(shù)語。總噪聲的大小通常由均方根（rms），峰值（pk），或峰間幅值（p-p）來表示。方程2顯示的是三項(xiàng)之間的轉(zhuǎn)換。
方程2
控制放大器施加的DC信號經(jīng)常被一個(gè)非常小的含有噪聲和紋波的AC信號所疊加（圖4）。
圖4 噪聲和紋波的示意圖
紋波成分是一個(gè)很小的低頻信號，由轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)切換頻率所決定。因此紋波通常是DC信號的一部分。
噪聲表現(xiàn)為高頻失真，是由內(nèi)部電源的人為影響所引起的。噪聲可以通過在輸出端增加電容器來減弱。
控制放大器
控制放大器（CA）控制和調(diào)節(jié)著施加在電解池上的信號。多種由控制放大器限制著的參數(shù)在前面已經(jīng)提到了。下面的部分包含了與控制放大器相關(guān)的其他參數(shù)。
槽壓
槽壓是指能夠由控制放大器施加到對電極和工作電極間的大電壓值。需要注意與大施加電位區(qū)分開。槽壓高于大施加電位，通常被用于調(diào)節(jié)施加在電解池上用戶定義的電勢。
槽壓是運(yùn)行高阻抗電解池時(shí)需要考慮的一個(gè)規(guī)格參數(shù)，因?yàn)檫@些電解池需要更高的電壓。如果電化學(xué)工作站不能提供您的電解池足夠的電壓，用戶自定義電壓將不能被調(diào)節(jié)，而且會出現(xiàn)CA過載信號（CA OVLD）。
不過，具有高槽壓的儀器需要更高的功率和更加復(fù)雜的電路系統(tǒng)，價(jià)格較高。在大多數(shù)案例中，5V的槽壓已經(jīng)足夠滿足固液電阻較低的系統(tǒng)用了。因此我們建議您先評估一下具體需要多大的槽壓。
速度設(shè)置
控制放大器可以用不同的速度驅(qū)動(dòng)（CA速度）。他們也與控制放大器的單位增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率有關(guān)（見下文）。
更快的速度設(shè)置可以控制快速的信號變化。不過，這也會影響電化學(xué)工作站的穩(wěn)定性，尤其當(dāng)連接上電容電解池或者擁有更高阻抗的參比電極時(shí)。圖5顯示了在原始輸入信號上進(jìn)行不同速度設(shè)置的效果。
將CA速度設(shè)置成快速模式能使CA與輸入信號類似的帶有明顯變化的信號。不過，輸出信號易于過沖，引起功率尖峰。在糟糕的案例中，電化學(xué)工作站會開始自持震蕩。相反，較低的速度設(shè)置能夠避免自持震蕩。不過，輸入信號不能夠準(zhǔn)確地顯示因?yàn)檗D(zhuǎn)換速率在減小。
圖5 高和低CA速度設(shè)置間差異示意圖
CA的速度通常由軟件來選擇。不過，用戶也可以通過點(diǎn)選Gamry的Framework軟件中的Advanced Pstat Setup復(fù)選框來手動(dòng)更改CA的速率。
單位增益帶寬
與CA速度高度相關(guān)的一個(gè)規(guī)格參數(shù)是單位增益帶寬。增加CA速度也會增加單位增益帶寬。這個(gè)參數(shù)描述的是CA增益為1時(shí)的頻率。由這個(gè)頻率決定的信號可以被放大。當(dāng)信號超過單位增益帶寬時(shí)，信號會衰減，終引起失真和噪聲。
這表示在實(shí)際應(yīng)用中如果單位增益帶寬比較高（也就是高CA速度），快速信號變化可以被控制。不過，電化學(xué)工作站的穩(wěn)定性會衰減，引起有害的自持震蕩（見上章節(jié)）。
轉(zhuǎn)換速率
轉(zhuǎn)換速率也與電化學(xué)工作站的速度設(shè)置相關(guān)。當(dāng)帶寬代表頻域時(shí)，轉(zhuǎn)換速率是時(shí)域反映。如圖3所示，轉(zhuǎn)換速率是外加信號的斜率。它的數(shù)值能夠通過改變CA速度設(shè)置而改變。高的速度設(shè)置允許以高的轉(zhuǎn)換速率來處理快速信號變化。降低CA的速度能夠增加電化學(xué)工作站的穩(wěn)定性，但會降低轉(zhuǎn)換速率（見圖5）。
電位計(jì)
電位計(jì)測量的是參比電極和工作感應(yīng)電極間的電勢。另外，它會將信號返送回CA，然后后者會抵消期望電勢和測得電勢間的誤差。這一章節(jié)包含了電位計(jì)的其他限制。
輸入電流
輸入電流描述的是流經(jīng)電位計(jì)的典型電流。這個(gè)參數(shù)應(yīng)該非常的小，以減小流經(jīng)參比電極的電流。這樣，參比電極里的有害感應(yīng)電流反應(yīng)就可以避免了，其電勢就可以保持恒定。
輸入阻抗
為了保持較小的輸入電流，電位計(jì)需要具備較高的輸入阻抗。輸入阻抗也常被描述為輸入電阻和輸入電容。當(dāng)使用高阻抗參比電極時(shí)，小的輸入電容會幫助消除系統(tǒng)不穩(wěn)定。
輸入阻抗也代表了電化學(xué)工作站的理論大可測阻抗。在測試高阻抗樣品例如涂料時(shí)，這個(gè)參數(shù)尤其重要。它的數(shù)值應(yīng)在千兆歐姆和兆歐之間。即使您的樣品具有更高的阻抗，您的測量值不會超過輸入阻抗。電化學(xué)工作站的這個(gè)高可測阻抗可以通過開路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量。它強(qiáng)烈地取決于測試設(shè)置，因?yàn)橹挥泻苄〉碾娏骺梢詼y量到。
電位計(jì)帶寬
電位計(jì)帶寬表征的是電位計(jì)快速測量信號變化的能力。這個(gè)數(shù)值常常比電化學(xué)工作站的實(shí)用頻率范圍要高。
電位計(jì)帶寬常常與一個(gè)用dB（分貝）做單位的衰減值結(jié)合在一起來表示。-3 dB表示在特定頻率以0.7因子的速率衰減。
共模抑制比（CMRR）
共模抑制比（CMRR）說明了一個(gè)差分放大器（也就是電位計(jì)）可以抑制由元件非理想因素和設(shè)計(jì)缺陷引起的有害信號的能力。圖6顯示了一個(gè)電位計(jì)的放大示意圖，其中的連接與圖1中相似。
圖6 電位計(jì)及其連接的簡化示意圖。詳見正文。
電流自對電極流入電解池到工作電極。在電解池上的電壓降由電阻Rcell和因電解池電纜和電路板布局引起的電阻（Rint）來表示。兩個(gè)電壓如下所示：
方程3
*項(xiàng)是差分輸入電壓Ud，在參比電極和工作電極感應(yīng)接頭間測得。第二項(xiàng)是非理想共模電壓Ucm，會引起輸出信號的誤差。Ud和Ucm有增益因子，主要依賴于差分放大器。輸出電壓可以用方程4來表示。
方程4
Gd是差分增益，常被設(shè)定為1。Gcm是共模增益。在理想狀態(tài)下，Gcm是零，輸出信號Uout是與共模電壓無關(guān)的。CMRR是兩個(gè)增益因子的比率（見方程5）。
方程5
CMRR常用分貝作單位。CMRR值越高，有害共模信號的抑制效應(yīng)越好。另外，因?yàn)楣材Ｔ鲆鍳cm的頻率依賴性，CMRR由頻率值來。CMRR隨著頻率的增加而減小。
其他參數(shù)
度，精度和分辨率
電流和電壓的度和分辨率分別列于Gamry的規(guī)格說明書中。兩者皆進(jìn)一步區(qū)分了外加和測試信號。為了不引起誤解，度，精度和分辨率各項(xiàng)的意義被畫在圖7中。
圖7度，精度和分辨率圖解
度定義了一個(gè)測量或一個(gè)外加信號的正確性。如果度較低，測試點(diǎn)偏離正確值較遠(yuǎn)（圖7中的靶心正中）。相反，高度表示測試結(jié)果與正確值非常吻合。
精度告訴您的是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。如果精度較低，測試點(diǎn)比較分散。需要注意的是高精度不保證測量結(jié)果的正確性。由于如溫度漂移或儀器錯(cuò)誤校準(zhǔn)等的系統(tǒng)誤差，測量點(diǎn)也會與正確值不同。
第三個(gè)重要參數(shù)是分辨率，這個(gè)參數(shù)常與精度混淆。分辨率描述的是微細(xì)度，有了它儀器可以區(qū)分不同的測試點(diǎn)。因?yàn)樾畔G失，分辨率限制了測量和外加信號的能力。
準(zhǔn)確性和分辨率依賴于電化學(xué)工作站的設(shè)置。因此，兩者常根據(jù)真實(shí)的電化學(xué)工作站設(shè)置來列，例如電流量程或增益。
頻率范圍
頻率范圍是指EIS實(shí)驗(yàn)可選的小和大頻率。兩者強(qiáng)烈地依賴于CA的極限和電位計(jì)的帶寬。
交流振幅
交流振幅描述了在EIS實(shí)驗(yàn)中可以施加的電壓或電流正弦波的交流振幅。它可以用rms，pk，或p-p信號來表示（方程2）。大的可用交流振幅依賴于電位計(jì)的帶寬和CA的速度設(shè)置。
電化學(xué)阻抗譜度
電化學(xué)阻抗譜實(shí)驗(yàn)的度依賴于很多參數(shù)，例如外加交流振幅，頻率，電解池阻抗，電纜長度和線路。Gamry公司給每一臺電化學(xué)工作站配備了一個(gè)度等高線圖，該圖表述了在進(jìn)行EIS實(shí)驗(yàn)時(shí)可以得到什么樣的精度.
