電化學阻抗頻譜分析技術之發展與應用方向

刊登日期:2013/12/2
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鐘琍菁/ 工研院材化所

電化學阻抗頻譜法(Electrochemistry Impedance Spectroscopy, EIS)又稱交流阻抗法,對於電化學系統的特性描述是一個有效的分析技術。電化學阻抗頻譜分析之理論與概念源自於19世紀英國著名的數學物理家Oliver Heaviside,在90年代初期Emil Warburg在基礎理論中導入擴散阻抗(Diffusional Impedance)概念,以描述當電化學系統處於質傳控制時電位與電流的關係,接著Randles]則利用等效電路模擬電化學系統中電荷轉移(Charge Transfer)及電雙層(Electric Double Layer)阻抗值,為電化學阻抗頻譜法在電化學分析技術上建立一基礎。至西元1940~1970年,隨著恆電位儀與頻率特性分析儀的快速發展,成功擴增頻率測定範圍,使得本技術可廣泛應用在各種電化學分析與腐蝕機制之探討
 
無論在表面防蝕、電池、電容器、半導體、燃料電池或生醫等領域,材料分析與檢測為不可或缺的步驟。而電化學阻抗頻譜分析是一個探討電極反應動力學及電極界面現象的重要電化學方法,對於材料特性變化,例如氧化還原反應、電極電雙層、薄膜或氧化膜組成結構、皮膜厚度等性質,皆可利用EIS分析作深入剖析。目前國際間以美國、德國、法國、日本為主要研究國家,特別著重在EIS理論分析與模擬、材料特性即時監測之應用研究,而研究範圍多為表面防蝕、能源裝置(包含電池、電容器、燃料電池、染料敏化太陽能電池)、電化學與生物感測器及半導體組件,由單一材料至完整的光電元件都可探討。

筆者參與之今年第九屆電化學阻抗頻譜分析研討會中,多著重於EIS分析技術之應用研究,由於EIS分析技術可量測材料介面離子與電子的傳導與擴散阻抗,故廣泛地用於材料的篩選,例如EIS可用來判斷何種防蝕劑效較佳或量測防蝕劑之穩定性。在能源裝置應用方面,透過量測電極電雙層、氧化還原反應、薄膜或氧化膜組成及結構等變化,選擇合適的電極材料,以下即針對表面防蝕、電容器、電池、表面分析與檢測應用領域中,EIS分析所扮演的角色及功能作介紹。
1. 表面防蝕
為防止金屬基材氧化,通常會在金屬表面塗佈不同種類防蝕劑(Corrosion Inhibitor)塗層,常用的防蝕劑包含氧化物奈米粒(Oxide Nanoparticle),如Silica奈米顆粒、多孔性奈米塗層(Porous Nanostructured Layer)、沸石微粒(Zeolite Microparticle)或層狀雙氫氧化物(LDH Nanocontainer)等材料。防蝕塗層中含有層層組裝奈米防蝕材料(Layer-by-Layer(LbL) Assembled Nanoreservoirs),利用防蝕材料所具有的自瘉功能,能防止金屬基材表面氧化以達到良好的防蝕效果。Ferreir等人針對Layer-by-Layer(LbL) Assembled Nanoreservoirs進行許多研究,圖三為自瘉式防蝕塗層製備之示意圖,當Benzotriazole釋放後可吸附在金屬表面阻隔氯離子的腐蝕。Ferreir利用EIS分析量測技術來瞭解不同塗層之防蝕效能,如圖四所示,主要量測Sol-gel塗層與氧化物材料在鹽水浸泡環境中產生的電阻,當塗層發揮防蝕作用時則電阻會增加,利用此方法可判斷何種防蝕劑效能較佳。


圖三、自瘉式層層組裝奈米防蝕材料示意圖

2. 電容器
EIS可用來分析電極的介面電化學反應特性,包含反應動力常數、電荷傳導性、材料導電性以及對於電容器表現之探討。Sato與Okabe等人的研究團隊為了提高電容器之充放電速率,製備孔徑大且高導電性之碳材作為電容電極材料。使用的碳材製備方法為高壓電弧法(arc-black),其產物稱為AcB,為提高碳材導電性再將AcB利用高溫燒結方法處理,其產物為Carbon Nanoballoon (CNB),研究中混和此兩種碳材製作電極,並利用EIS方法來分析不同孔洞結構碳材的充放電特性,以瞭解碳
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圖五、不同碳材之SEM圖 (a)AcB ;(b)CNB;(c)AC與TEM圖;(d)AcB ;(e)CNB;(f)AC
 

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