Nyquist-Diagramm

Bei einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) werden viele Daten gesammelt, die dargestellt werden müssen. Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, und daher ist eine grafische Darstellung, wie z. B. ein Nyquist-Diagramm, die beste Möglichkeit, eine EIS zu zeigen.

Die gängigsten Diagramme für EIS-Daten sind das Bode-Diagramm und das Nyquist-Diagramm. Dieser Artikel befasst sich mit der Nyquist-Darstellung. Sie wurde nach Harry Nyquist, einem schwedisch-amerikanischen Elektroingenieur, benannt und 1932 für elektronische Zwecke entwickelt. Heutzutage ist es das beliebteste Diagramm für EIS-Daten unter Elektrochemikern.

Vorteile des Nyquist-Plots

Das Diagramm zeigt den negativen Imaginärteil der Impedanz gegen den Realteil. Im Vergleich zum Bode-Diagramm hat es zwei Nachteile:

1. Sie ist weniger intuitiv zu verstehen.
2. Es fehlen die Frequenzangaben.

Das Nyquist-Diagramm zeigt jedoch eine charakteristische Form, je nachdem, welche Komponenten zur Impedanz beitragen. Das Nyquist-Diagramm zeigt sehr deutlich auch kleine Änderungen in der untersuchten Oberfläche.

Mit etwas Erfahrung kann man einige Parameter direkt aus dem Nyquist-Diagramm ablesen, z. B. den Lösungswiderstand oder den Ladungstransferwiderstand, also den Widerstand der Oberfläche, eine bestimmte Reaktion durchzuführen.

Für eine genauere Analyse wird eine äquivalente Schaltungsanpassung durchgeführt. Hier werden die Einflüsse auf die Impedanz durch elektronische Komponenten (eine Ersatzschaltung) dargestellt und die Werte jedes Einflusses durch Anpassung einer Simulation der Daten an die realen Daten berechnet.

Anwendungen

Einige Studien verfolgen nur die Veränderung des Ladungsübergangswiderstands, andere beobachten die Veränderung des gesamten Systems.

Ein Beispiel für die erste Möglichkeit ist der markierungsfreie Nachweis von DNA. Mit EIS kann die Hybridisierung von komplementären, oberflächengebundenen DNA-Strängen in einem Nyquist-Plot beobachtet und somit Bakterien, Viren usw. nachgewiesen werden. Bei anderen elektrochemischen Techniken muss eine aktive Spezies eingeführt werden, die die DNA verändert und Zeit kostet.

Korrosionsstudien mit einem Nyquist-Plot

Ein ganz anderer Anwendungsbereich ist die Untersuchung von Korrosion. EIS ist besonders bei der Erforschung von Beschichtungen und Lacken beliebt.

Eine perfekte Beschichtung ergibt eine vertikale Linie in einem Nyquist-Diagramm, während eine von Wasser durchdrungene Beschichtung einen Halbkreis und die Korrosion unter der Beschichtung eine andere Form aufweist. Auf diese Weise kann der Zustand des beschichteten Metalls bewertet und die Wasseraufnahme der Beschichtung bestimmt werden.

Dies sind nur zwei Beispiele, und es gibt noch viele weitere Anwendungen, z. B. markierungsfreie Detektion, Batterie- und Brennstoffzellenforschung.