交流阻抗分析

將材料放置電解液內進行電化學交流阻抗分析實驗，在頻率 30k-0.1Hz 下掃描，

以 Nyquist plot(-Z" VS Z')，判斷材料在電解液內的電化學阻抗表現。Figure 5-5 為 AT-NH 石墨氈在不同電位掃描下的 Nyquist plot，從圖中可以看到高頻至中頻區的 阻抗圖為圓型，而中頻區至低頻區的阻抗又組成另一圓形圖。改變電位下發現高頻 區的阻抗並不會隨著電位改變而改變，中頻區與低頻區則因為電位增大而變小，且 在高頻至中頻的阻抗也並非呈現一半圓，而是一橢圓形，因此我們認為高頻區與中 頻區阻抗組成的橢圓包含兩個阻抗，分別為介面阻抗(Ri)與電荷轉移阻抗(Rct)，而 中頻區至低頻區的阻抗則為擴散阻抗(Rd)。等效電路以 Figure 5-6 所示，在高頻區 阻抗與 X 軸交點為溶液阻抗(Rs)，此阻抗包含電極電阻、離子在電解液電阻、外接 鈦棒的電阻與接觸電阻。高頻區與中頻區阻抗所代表的介面電阻與電荷轉移電阻 分別來自電極表面的疏水性與電極表面上的電化學反應阻抗，在低頻區的擴散阻 抗則來自於電化學反應物質的質傳限制[58, 82]。Figure 5-5 利用了上述的等效電路 模擬各個電路元件的數值，其結果列於 Table 5-3。實驗數據與預期相同，AT-NH 石 墨氈的溶液阻抗與介面阻抗並不會因電位改變而改變，而電荷轉移電阻則是隨著 電位增高而減少，這是由於在高電位下會使得電化學反應更易進行。

Table 5-3 Resistances of AT-NH graphite felts at different voltages.

V vs OCV 0 V 0.2 V 0.5 V 1 V

𝑅_𝑜(Ω) 5 5 5 5

𝑅_𝑖(Ω) 27.3 27.7 28.5 27.4 𝑅_𝑐𝑡(Ω) 30.1 29.2 26.7 23.4

Figure 5-5 Nyquist plots of AT-NH graphite felts (surface area is 2cm²) in 65mM phosphate solution at different voltages.

Figure 5-6 Equivalent circuit used to model Nyquist plot.

Figure 5-7 為陽極材料在開路電位下的交流阻抗分析，使用 Figure 5-6 的等校 電路模擬各個電路元件的阻抗數值，將結果列於 Table 5-4。實驗結果與表面接觸 角量測的結果相同，泡酸後各個樣本的介面阻抗都有降低，這是由於親水性改善的 原因，而介面阻抗最小的材料為 AT-NH 石墨氈，也與前述結果相同。在溶液阻抗 部分，由於，每個材料的實驗結果差異不大，這是由於泡酸並不會改變材料的本質，

電阻還是維持同樣大小，而各個溶液阻抗的微小差異可能來自於實驗操作時的誤

𝑅

𝑅

𝑅

𝐶𝑃𝐸

𝐶𝑃𝐸

差因素。電荷轉移阻抗也因材料泡酸改質後降低，這也與塔佛公式所得的交換電流 分析得到相同的結論，材料泡酸後不僅能有效改善親水性，也使得材料的電化學活 性增加，成功降低電荷轉移阻抗。AT-NH 石墨氈的介面阻抗與電荷轉移阻抗皆為 最低，介面電阻越小將減低微生物的附著阻力，對電池的性能有著立竿見影的成效。

Figure 5-7 Nyquist plots of the various anode materials (surface area is 2cm²) in 65mM phosphate solution at open circuit voltage.

Table 5-4 Resistances of the various anode materials at open circuit voltage.

AT AT-S AT-N AT-NH

Ro(Ω) 8.1 7.9 8 5

Ri(Ω) 129.2 58.2 40.4 27.3 Rct(Ω) 184.3 58.5 43.3 30.1