Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS z ang. Electrochemical impedance spectroscopy) – technika elektrochemiczna, która wykorzystywana jest do analizowania szybkości procesów zachodzących na elektrodzie oraz badania powierzchni. Do elektrody przykładany jest zmienny potencjał $U(t)=U_m\sin (\omega t).$ Uzyskany prąd opisany jest zależnością $I(t)=I_m\sin (\omega t+\vartheta ).$

Impedancja (Z) zawiera wartość urojoną oraz rzeczywistą. Opisana jest równaniem:

$|Z_f|=\frac{\mathrm{\Delta }\phi }{I_0}=\sqrt{R_s^2+{\left(\frac{1}{\omega C_s}\right)}^2},$

gdzie:

$Z$ – impedancja,

$\mathrm{\Delta }\phi$ – kąt przesunięcia fazowego,

$I_0$ – prąd wymiany,

$\omega$ – częstość kątowa,

$R_s$ – całkowita oporność warstwy reakcyjnej,

$C_s$ – całkowita pojemność elektryczna granicy faz.

Impedancja elektrody jest równoważna impedancji prostego obwodu elektrycznego.

Na mierzoną impedancję mają wpływ czynniki takie jak:

• szybkość dyfuzji analitu do elektrody,
• szybkość dyfuzji produktów reakcji w głąb roztworu,
• szybkość reakcji zachodzącej na elektrodzie.

Zmierzona impedancja może dostarczyć informacji o szybkości transportu depolaryzatora do powierzchni elektrody, prędkości przeniesienia elektronu czy stabilności układu.

Wyniki pomiarów elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej są przedstawiane w postaci wykresów Nyquista. Składa się on z dwóch części. Jedna z nich jest linią prostą o nachyleniu 45°. Jest to impedancja Randlesa, która jest rejestrowana dla małych częstotliwości. Dotyczy obszaru kontrolowanego szybkością przenoszenia masy. Drugi fragment wykresu jest półkolem. Jest to obszar kontrolowany przeniesieniem ładunku. Impedancja mierzona jest w zakresie 1 MHz – 10 kHz.

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna znalazła zastosowanie między innymi w badaniu procesów korozji, pracy sensorów czy określaniu porowatości uzyskiwanych warstw.