Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung.
Elektrochemische Impedanzspektroskopie: komplex und beliebt
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine der komplexesten Techniken in der elektrochemischen Forschung. Auf dieser Seite werden die Grundlagen der EIS erläutert, d. h. die Anregung und das Signal sowie die aufgezeichneten Werte. Die Visualisierung und Analyse der EIS-Daten wird in den folgenden Kapiteln erläutert.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) hat in den letzten 10 Jahren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie ist aus mehreren Gründen sehr beliebt. Ein Grund dafür ist, dass sich mit EIS die Einflüsse verschiedener Komponenten voneinander trennen lassen, d. h. der Beitrag des Elektronentransferwiderstands, der Doppelschichtkapazität usw.
Oberflächensensitiv
Ein weiterer Vorteil ist, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie sehr oberflächenempfindlich ist, wodurch viele Veränderungen sichtbar werden, die andere Verfahren nicht erkennen, beispielsweise Veränderungen in Polymerschichten aufgrund von Quellung, Oberflächenveränderungen aufgrund von Proteinadsorption oder das Durchdringen von Korrosionsschutzschichten.
Daher ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie für die analytische Elektrochemie von Interesse, da Moleküle ohne redoxaktiven Marker nachgewiesen werden können.
Während der Widerstand das Verhältnis von Spannung bzw. Potential und Strom in einem Gleichstromsystem ist, ist die Impedanz das Verhältnis von Spannung bzw. Potential und Strom in Wechselstromsystemen.
Aufgrund des wellenförmigen Charakters muss die Impedanz durch zwei Parameter definiert werden. Der eine ist die Gesamtimpedanz Z, der andere die Phasenverschiebung Φ.
Empfohlene Geräte
Elektrochemische Impedanzspektroskopie kann mit jedem unserer Geräte durchgeführt werden. Unser Vorzeigegerät ist jedoch der PalmSens4. Eine Alternative ist der MultiPalmSens4.
PalmSens4
Leistungsstarke EIS in einem kompakten Gerät
- Breiter Frequenzbereich (10 µHz – 1 MHz)
- Als eigenständiges Gerät oder PC-gesteuert
- Leistungsstarke Software im Lieferumfang enthalten
MultiPalmSens4
Mehrkanal-EIS-Messungen für die Spitzenforschung
- Bis zu 10 Kanäle in einem System
- Unabhängig gesteuert oder synchronisiert
- Vollständige EIS-Unterstützung (10 µHz – 1 MHz)
Periodische Wellen von Strom und Spannung
Betrachtet man die beiden periodischen Wellen von Strom und Spannung, so haben diese Wellen dieselbe Frequenz, da die eine Welle die andere verursacht. Zwischen den beiden Wellen besteht eine konstante Zeitverschiebung, die als Phasenverschiebung Φ bezeichnet wird. Ihre Einheit ist Grad (°), da Wellen üblicherweise als Vektoren in einem Polarkoordinatensystem oder als Sinusfunktion betrachtet werden (siehe Abbildung 1.1).
Die Gesamtimpedanz ist das Verhältnis der Amplitude der Spannung zur Amplitude des Stroms. Die sich daraus ergebende Impedanz ist eine komplexe Zahl. Diese Zahl lässt sich in der komplexen Ebene in Polarkoordinaten darstellen, wobei Z als Vektorlänge und Φ als Winkel verwendet werden.
Mit den allgemeinen Kenntnissen über Berechnungen mit komplexen Zahlen lässt sich die Impedanz auch als Realteil Z’ der Impedanz, also als Widerstand, und als Imaginärteil Z’’ ausdrücken (siehe Abbildung 1.2).
Bode-Diagramm und Nyquist-Diagramm
Die beiden Notationen sind der Ursprung der beiden populärsten Diagramme für Impedanzspektren: das Bode-Diagramm und das Nyquist-Diagramm. Weitere Informationen finden Sie hier: Bode- und Nyquist-Plot.
Ein Potentiostat misst die Impedanz, indem er eine Potentialwelle an die Arbeitselektrode anlegt und die daraus resultierende Stromwelle aufzeichnet. Aus diesen beiden Wellen berechnet der Potentiostat Z, Φ, Z’ und Z’’. Das Spektrum entsteht durch die Messung dieser Parameter für Potentialwellen mit unterschiedlichen Frequenzen.
Frequenzen
In der Regel wird eine feste Anzahl pro Dekade gewählt, da die meisten Diagramme eine logarithmische Achse haben. Das bedeutet beispielsweise, dass 10 Frequenzen zwischen 10 000 Hz und 1000 Hz, 10 zwischen 1000 Hz und 100 Hz usw. ausgewählt werden; diese Frequenzen liegen auf einer logarithmischen Skala in der Regel in gleichen Abständen zueinander.
Mit PSTrace können Sie wählen, ob Sie die Gesamtzahl der Punkte über das gesamte Spektrum oder die Anzahl der Punkte pro Dekade festlegen möchten. Unabhängig davon, welche Option Sie wählen, können Sie immer eine Liste der gewählten Frequenzen sehen.
- Elektrochemische Impedanzspektroskopie
- Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselspannungspotentials.
Siehe PalmSens4 mit EIS bis zu 1 MHz Instrumente mit EIS vergleichen
Siehe auch:
Häufig gestellte Fragen
Diese Fragen zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie werden uns häufig gestellt.
Was ist elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)?
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Messung der Impedanz eines Systems in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung. Sie ist aus mehreren Gründen sehr beliebt.
Ein Grund dafür ist, dass sich mit EIS die Einflüsse verschiedener Komponenten voneinander trennen lassen, d. h. der Beitrag des Elektronentransferwiderstands, der Doppelschichtkapazität usw.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie sehr oberflächenempfindlich ist, wodurch viele Veränderungen sichtbar werden, die andere Verfahren nicht erkennen, beispielsweise Veränderungen in Polymerschichten aufgrund von Quellung, Oberflächenveränderungen aufgrund von Proteinadsorption oder das Durchdringen von Korrosionsschutzschichten.
Daher ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie für die analytische Elektrochemie von Interesse, da Moleküle ohne redoxaktiven Marker nachgewiesen werden können.
Wozu dient die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)?
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wird eingesetzt, um das Vorhandensein einer bestimmten Substanz in einer (in der Regel) Flüssigkeit nachzuweisen und/oder deren Menge mithilfe elektrischer Wellen zu messen.
Ein Potentiostat sendet diese Wellen an die zu messende Flüssigkeit, und aus der zurückkommenden Reaktion kann ein elektrochemischer Forscher die Informationen ablesen, die er zu diesem Zweck benötigt.
Man kann sich beispielsweise die Untersuchung bzw. Messung von HIV im Blut oder von Quecksilber im Grundwasser vorstellen. Der Vorteil der elektrochemischen Impedanzspektroskopie besteht darin, dass die Untersuchung die Flüssigkeit nicht beeinträchtigt, außerhalb des Labors durchgeführt werden kann und nur wenig Zeit in Anspruch nimmt.
Was ist der Unterschied zwischen Impedanz und Widerstand?
Bei elektrochemischen Messungen bezieht sich der Widerstand darauf, wie viel ein System dem Fluss von Gleichstrom (DC) entgegensetzt - es ist der einfache, frequenzunabhängige Widerstand, der durch das Ohmsche Gesetz (R = V/I) beschrieben wird. Im Gegensatz dazu ist die Impedanz das äquivalente Konzept für Wechselstrom (AC) und umfasst nicht nur den Widerstand, sondern auch reaktive Effekte durch kapazitives und induktives Verhalten. Die Impedanz ist eine komplexe Größe, die sich sowohl aus dem Betrag als auch aus der Phase zusammensetzt, d. h. sie kann mit der Frequenz des angelegten Wechselstromsignals variieren.
Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) vermittelt die Impedanz ein viel umfassenderes Bild eines elektrochemischen Systems als der einfache Widerstand, da sie erfasst, wie das System auf ein Wechselstromsignal über einen Bereich von Frequenzen reagiert, und dabei Beiträge von Doppelschichtkapazitäten, Ladungstransfer, Diffusion und mehr aufzeigt.
Warum verwenden wir bei der EIS Wechselstrom statt Gleichstrom?
Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie wird gemessen, wie ein elektrochemisches System auf ein angelegtes elektrisches Signal über einen Bereich von Frequenzen reagiert. Dazu verwenden wir eine kleine Wechselstromstörung - typischerweise ein sinusförmiges Signal - denn:
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Mit AC können wir frequenzabhängige Prozesse untersuchen.
Verschiedene elektrochemische Prozesse (z. B. Doppelschichtladung, Ladungstransfer, Stofftransport/Diffusion) reagieren bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich. -
DC kann diese Prozesse nicht unterscheiden.
Ein (konstantes) Gleichstromsignal liefert nur einen Wert der Reaktion, während Wechselstrommessungen, die mehrere Frequenzen umfassen, das dynamische Verhalten erfassen.
Durch Anlegen sinusförmiger Potentiale verschiedener Frequenzen und Analyse sowohl der Amplitude als auch der Phase des resultierenden Stroms verwandeln wir einen einzelnen Impedanzwert in ein Spektrum, das mechanistische Informationen über das System offenbart - dies ist die Kernidee der elektrochemischen Impedanzspektroskopie.
Was ist die physikalische Bedeutung der Phasenverschiebung bei der EIS?
Wenn Sie ein sinusförmiges (AC-)Potential an eine elektrochemische Zelle anlegen, folgt der Strom, der als Reaktion darauf fließt, nicht immer genau demselben Zeitverlauf wie das angelegte Potential. Die Phasenverschiebung ist die zeitliche Verzögerung zwischen den Spitzenwerten der Spannungs- und Stromwellen.
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In einem reinen Widerstand sind Spannung und Strom perfekt in Phase (keine Phasenverschiebung).
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In Systemen mit kapazitiven oder kinetischen Prozessen kann der Strom der Spannung vor- oder nachlaufen.
Diese Phaseninformation ist nicht nur Rauschen, sondern gibt Aufschluss über die energiespeichernden Prozesse im elektrochemischen System. Ein Beispiel:
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Kapazitives Verhalten (z. B. eine Doppelschicht an einer Elektrodenoberfläche) verursacht eine Phasenverschiebung von bis zu -90°.
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Faradaische oder Ladungstransferprozesse zeigen oft intermediäre Phasenverschiebungen, die kinetische und Transporteigenschaften offenbaren.
Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie ermöglicht die Analyse sowohl der Größe als auch der Phase der Impedanz über verschiedene Frequenzen hinweg die Trennung und das Verständnis verschiedener zugrunde liegender elektrochemischer Mechanismen.
Was sagt uns die Frequenz bei Impedanzmessungen?
Die Frequenz ist eine der wichtigsten Variablen in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie - sie bestimmt im Wesentlichen, welche Prozesse Sie bei Ihrer Messung untersuchen.
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Hohe Frequenzen heben tendenziell schnelle Prozesse wie den Lösungswiderstand oder die Aufladung der elektrischen Doppelschicht hervor.
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Niedrige Frequenzen zeigen langsamere Prozesse, einschließlich Stofftransport, Diffusion und langsame Kinetik.
Durch Wobbeln des Wechselstromsignals über einen Frequenzbereich wird eine Frequenzantwort des Systems erstellt. Bei der Darstellung in einem Bode-Diagramm (Impedanzbetrag und -phase im Vergleich zur Frequenz) oder einem Nyquist-Diagramm (Imaginärteil im Vergleich zum Realteil der Impedanz) zeigen diese Daten, wie sich die einzelnen elektrochemischen Komponenten auf Zeitskalen verhalten, die den verschiedenen Frequenzbereichen entsprechen.
Die Frequenz gibt Aufschluss darüber, welche Prozesse auf welchen Zeitskalen dominieren, so dass sie in der EIS unterschieden und modelliert werden können.
Erfahren Sie in der PalmSens-Übersicht überBode- und Nyquist-Diagramme , wie verschiedene Frequenzen mit EIS-Antworten zusammenhängen.
Was ist der Unterschied zwischen EIS und normaler Impedanzspektroskopie?
Der Begriff Impedanzspektroskopie bezieht sich im weitesten Sinne auf die Messung der Impedanz eines Systems als Funktion der Frequenz - dieses Konzept wird in der Physik, der Materialwissenschaft und der Elektrochemie gleichermaßen verwendet.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine spezielle Anwendung der Impedanzspektroskopie, die auf elektrochemische Systeme wie Elektroden in Elektrolyten, Batterien, Sensoren und Korrosionsschnittstellen ausgerichtet ist. Sie wendet das gleiche Grundkonzept an (frequenzabhängige Impedanz), wird aber im Kontext elektrochemischer Prozesse und Reaktionen interpretiert.
Einfach ausgedrückt:
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Impedanzspektroskopie = allgemeine Technik zur Messung der frequenzabhängigen Impedanz.
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Elektrochemische Impedanzspektroskopie = die elektrochemische Version dieser Technik, bei der Geräte wie Potentiostaten verwendet und elektrochemische Grenzflächen analysiert werden.
EIS ist eine auf die Elektrochemie spezialisierte Impedanzspektroskopie - das ist der praktische Unterschied. Tauchen Sie tiefer in PalmSens' Erklärung der elektrochemischen Techniken ein.