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普林斯頓電化學工作站是(shì)美國(guó)安美特克（AMETEK）公司旗下普林斯頓應用研究（Princeton Applied Research）研發的(de)一(yī / yì ／yí)系列電化學工作站。該系列工作站爲(wéi / wèi)電化學工作者提供了(le／liǎo)在(zài)傳感、能量存儲、電化學分析和(hé / huò)腐蝕防護等領域的(de)多種功能。但也(yě)因爲(wéi / wèi)在(zài)其在(zài)使用時(shí)所需要(yào / yāo)選擇的(de)功能和(hé / huò)設置的(de)參數衆多，而(ér)使得新用戶上(shàng)手較爲(wéi / wèi)困難。筆者在(zài)最初使用PARSTAT 4000+電化學工作站利用循環伏安法測試超電容器性能時(shí)便遇到(dào)了(le／liǎo)以(yǐ)下将要(yào / yāo)讨論的(de)兩個(gè)問題。通過與公司技術人(rén)員的(de)交流和(hé / huò)自己的(de)親自摸索，筆者近日已探明造成問題的(de)原因并成功找到(dào)了(le／liǎo)解決方法。在(zài)此，筆者将自己的(de)心得分享給讀者，希望能爲(wéi / wèi)廣大(dà)電化學科研工作者提供一(yī / yì ／yí)點參考。以(yǐ)下内容以(yǐ)筆者實驗室的(de)PARSTAT 4000+儀器爲(wéi / wèi)準，其他(tā)型号的(de)儀器沒有用過，但考慮到(dào)PARSTAT系列工作站使用同一(yī / yì ／yí)款軟件（VersaStudio），所以(yǐ)以(yǐ)下提供的(de)解決辦法應該是(shì)通用的(de)。

PARSTAT 4000+和(hé / huò)3000電化學工作站

【問題一(yī / yì ／yí)】低掃速下獲得的(de)循環伏安圖信噪比低

【問題描述】

通常當掃速低于(yú)20 mV/s時(shí)，所測得的(de)圖線非常毛糙，信号噪音大(dà)（圖1）。當掃速提高到(dào)一(yī / yì ／yí)定值後，信噪比升高，線條變得平滑。

（注：掃速具體要(yào / yāo)高到(dào)什麽數值取決于(yú)電極活性材料的(de)質量，一(yī / yì ／yí)般爲(wéi / wèi)20 mV/s，且随活性材料的(de)質量增大(dà)而(ér)減小。）

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

10 mV/掃速下獲得的(de)循環伏安圖線（除掃速外其餘參數均默認）。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

【産生原因】

這(zhè)是(shì)由于(yú)環境中的(de)電磁波及物理幹擾（如振動）影響測試系統的(de)造成的(de)（以(yǐ)電磁波幹擾爲(wéi / wèi)主，頻率爲(wéi / wèi)10-1000 Hz的(de)電磁波尤甚）。電磁波可使測試信号抖動，産生噪音。低掃速下儀器取樣頻率小，受到(dào)高頻幹擾就(jiù)更爲(wéi / wèi)明顯。

【解決辦法】

使用電流和(hé / huò)電壓過濾器（Filter），設定位置參見圖2。PARSTAT儀器在(zài)循環伏安測試時(shí)用戶可選定過濾器的(de)頻率可從1 Hz到(dào)>1000 Hz。默認狀态處于(yú)Auto，爲(wéi / wèi)10000 Hz，即頻率在(zài)10000 Hz以(yǐ)上(shàng)的(de)電磁波将被儀器屏蔽。但是(shì)對測試産生幹擾的(de)電磁波頻率位于(yú)此默認頻率之(zhī)下，故而(ér)需要(yào / yāo)人(rén)爲(wéi / wèi)設置參數進行過濾。經筆者親自實驗，推薦的(de)過濾器頻率設置參數如下：

1. 當掃速小于(yú)40 mV/s時(shí)，電壓和(hé / huò)電流過濾器頻率設爲(wéi / wèi)1 Hz或10Hz。

2. 當掃速介于(yú)40 mV/s和(hé / huò)100 mV/s之(zhī)間時(shí)，電壓和(hé / huò)電流過濾器頻率設爲(wéi / wèi)10 Hz。

3. 當掃速高于(yú)100 mV/s時(shí)，電壓和(hé / huò)電流過濾器頻率設爲(wéi / wèi)100 Hz或以(yǐ)上(shàng)。

（注：公司推薦電壓和(hé / huò)電流過濾器頻率始終保持一(yī / yì ／yí)緻以(yǐ)保護儀器。）

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

電流電壓過濾器頻率設定位置。

所示，當将過濾器頻率設置爲(wéi / wèi)10 Hz時(shí)，信噪比明顯提高。

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

10 mV/掃速下，電流電壓過濾器10 Hz時(shí)獲得的(de)循環伏安圖線（紅色曲線）。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

有讀者可能會問，既然過濾器時(shí)用來(lái)過濾掉高頻幹擾的(de)，那爲(wéi / wèi)什麽不(bù)爲(wéi / wèi)所有掃速的(de)過濾頻率都設置成最低的(de)1 Hz呢？這(zhè)是(shì)考慮到(dào)取樣速度的(de)問題。當掃速增大(dà)時(shí)，取樣速度加快，儀器測試頻率也(yě)随之(zhī)加快。此時(shí)當電位達到(dào)設定的(de)最大(dà)值或最小值時(shí)（即電位窗口的(de)上(shàng)限或下限），掃描方向将發生回轉，取樣頻率瞬時(shí)增大(dà)。如果過濾器頻率設置過低，則可能把曲線轉角處的(de)數據過濾掉，造成實驗數據點丢失。因此，使用者在(zài)測試時(shí)需要(yào / yāo)觀察屏幕上(shàng)的(de)曲線是(shì)否延伸到(dào)了(le／liǎo)最大(dà)電勢及最小電勢：将所得曲線在(zài)轉角處放大(dà)，确認最大(dà)或最小電勢處有數據點顯示。

另外，在(zài)設置電壓電流過濾器後，低掃速下有時(shí)會出(chū)現很尖的(de)峰。這(zhè)就(jiù)涉及到(dào)第二個(gè)問題。

【問題二】循環伏安圖莫名出(chū)現“鬼峰”

【問題描述】

情況一(yī / yì ／yí)：曲線出(chū)現尖峰（圖4）。

情況二：當使用默認電流電壓過濾器時(shí)，高掃速下（一(yī / yì ／yí)般高于(yú)200 mV/s）曲線出(chū)現階躍梯狀峰并完全變形（圖5）。測試同時(shí)可以(yǐ)聽到(dào)儀器内部發出(chū)“咔咔咔”的(de)響聲。

所形成的(de)峰在(zài)恒電流充放電實驗中無法看到(dào)對應的(de)平台，可以(yǐ)确定尖峰或階梯峰并非來(lái)自材料本身。

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

金電極在(zài)1 mM K3[Fe(CN)6]（0.1 M KCl支持電解質）溶液中，掃速爲(wéi / wèi)100 mV/s時(shí)獲得的(de)循環伏安圖線。

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

1000 mV/掃速下時(shí)獲得的(de)循環伏安圖線（其餘參數默認）。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

【産生原因】

由于(yú)儀器自動切換電流量程造成。

PARSTAT儀器内置了(le／liǎo)數個(gè)阻值不(bù)同的(de)電阻，用以(yǐ)調節電流量程（圖6）。儀器默認電流量程爲(wéi / wèi)Auto，将從最小量程（即接通最大(dà)阻值電阻）開始。當在(zài)測試過程中，儀器檢測到(dào)電流将要(yào / yāo)超出(chū)當前量程後将自動切換到(dào)下一(yī / yì ／yí)量程。這(zhè)一(yī / yì ／yí)過程需要(yào / yāo)儀器測試電路從大(dà)阻值電阻切換到(dào)對應的(de)較小阻值的(de)電阻。儀器在(zài)切換電阻時(shí)，電流會電阻組織變化産生階躍并在(zài)短時(shí)間内弛豫。反映在(zài)獲得的(de)電流信号上(shàng)就(jiù)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)尖峰。特别的(de)，在(zài)高掃速情況下，電流大(dà)小變化迅速，電阻切換次數相應加快。由于(yú)高掃速下電流數值大(dà)，變化快，但儀器默認狀态下又是(shì)從最小量程開始，這(zhè)就(jiù)造成了(le／liǎo)儀器需要(yào / yāo)在(zài)短時(shí)間内切換數個(gè)電阻（從100 MΩ最大(dà)阻值電阻依次向上(shàng)切換）以(yǐ)達到(dào)測試要(yào / yāo)求。每一(yī / yì ／yí)次量程的(de)切換将對應一(yī / yì ／yí)次電流階躍，這(zhè)便造成了(le／liǎo)圖5所見的(de)階梯狀圖形。同時(shí)，儀器發出(chū)的(de)響聲便是(shì)切換量程時(shí)産生的(de)。

（注：長期使儀器快速切換量程不(bù)僅對測試結果産生不(bù)良影響，還會縮短儀器壽命。）

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

儀器利用不(bù)同電阻調節電流量程。

【解決辦法】

明白了(le／liǎo)問題産生的(de)原因，解決辦法就(jiù)很簡單了(le／liǎo)：隻需要(yào / yāo)在(zài)測試的(de)時(shí)候給儀器指定一(yī / yì ／yí)個(gè)量程便可解決問題。操作方法是(shì)在(zài)參數設定的(de)“Current Range（電流量程）”下選擇适宜的(de)量程（默認情況下爲(wéi / wèi)Auto，圖7）。量程以(yǐ)略大(dà)于(yú)某掃速下的(de)最大(dà)電流爲(wéi / wèi)宜。對于(yú)電容電極，電流會随着掃速增大(dà)而(ér)正比增加。因而(ér)對不(bù)同掃速，電流量程可能需要(yào / yāo)不(bù)斷修改，以(yǐ)防止電流超過量程的(de)情況發生。如果電流超量程，右側的(de)數據欄裏的(de)過載數據會被黃色高亮，左側實時(shí)曲線會變成一(yī / yì ／yí)條平直的(de)線。此時(shí)應提高量程。

幹貨：普林斯頓PARSTAT電化學工作站循環伏安測試之(zhī)兩個(gè)問題

電流量程設定位置

固定了(le／liǎo)電流量程後，儀器将不(bù)再自動切換電阻，“鬼峰”也(yě)就(jiù)不(bù)再出(chū)現了(le／liǎo)（圖8和(hé / huò)圖9）。另外，對于(yú)圖10我們可以(yǐ)看到(dào)在(zài)0~0.5 V、正掃向的(de)電流“正常”區域，使用Auto電流量程時(shí)（黑線）還會造成所測的(de)電流虛高，使得測試結果不(bù)正确。

金電極在(zài)1 mM K3[Fe(CN)6]（0.1 M KCl支持電解質）溶液中，電流量程20 µA、掃速爲(wéi / wèi)100 mV/s時(shí)獲得的(de)循環伏安圖線。

1000 mV/掃速下、電流量程爲(wéi / wèi)2 A時(shí)獲得的(de)循環伏安圖線。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

1000 mV/掃速下不(bù)同電流量程下獲得的(de)循環伏安圖線比較。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器，黑線：自動電流量程；紅線：2 A電流量程。