導讀本文由美國弗吉尼亞理工大學化學系劉田宇博士供稿，在此表示感謝！所屬專欄：研之成理電化學天地前言：普林斯頓PARSTAT電化學工作站是美國安美特克（AMETE....

本文由美國弗吉尼亞理工大學化學系劉田宇博士供稿，在此表示感謝！

所屬專欄：研之成理電化學天地

前言：

普林斯頓PARSTAT電化學工作站是美國安美特克（AMETEK）公司旗下普林斯頓應用研究（Princeton Applied Research）研發的一系列電化學工作站。該系列工作站為電化學工作者提供了在傳感、能量存儲、電化學分析和腐蝕防護等領域的多種功能。但也因為在其在使用時所需要選擇的功能和設置的參數眾多，而使得新用戶上手較為困難。筆者在最初使用PARSTAT 4000 電化學工作站利用循環伏安法測試超電容器性能時便遇到了以下將要討論的兩個問題。通過與公司技術人員的交流和自己的親自摸索，筆者近日已探明造成問題的原因并成功找到了解決方法。在此，筆者將自己的心得分享給讀者，希望能為廣大電化學科研工作者提供一點參考。以下內容以筆者實驗室的PARSTAT 4000 儀器為準，其他型號的儀器沒有用過，但考慮到PARSTAT系列工作站使用同一款軟件（VersaStudio），所以以下提供的解決辦法應該是通用的。

PARSTAT 4000 和3000電化學工作站

【問題一】低掃速下獲得的循環伏安圖信噪比低

【問題描述】

通常當掃速低于20 mV/s時，所測得的圖線非常毛糙，信號噪音大（圖1）。當掃速提高到一定值后，信噪比升高，線條變得平滑。

（注：掃速具體要高到什么數值取決于電極活性材料的質量，一般為20 mV/s，且隨活性材料的質量增大而減小。）

圖1. 10 mV/掃速下獲得的循環伏安圖線（除掃速外其余參數均默認）。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

【產生原因】

這是由于環境中的電磁波及物理干擾（如振動）影響測試系統的造成的（以電磁波干擾為主，頻率為10-1000 Hz的電磁波尤甚）。電磁波可使測試信號抖動，產生噪音。低掃速下儀器取樣頻率小，受到高頻干擾就更為明顯。

【解決辦法】

使用電流和電壓過濾器（Filter），設定位置參見圖2。PARSTAT儀器在循環伏安測試時用戶可選定過濾器的頻率可從1 Hz到>1000 Hz。默認狀態處于Auto，為10000 Hz，即頻率在10000 Hz以上的電磁波將被儀器屏蔽。但是對測試產生干擾的電磁波頻率位于此默認頻率之下，故而需要人為設置參數進行過濾。經筆者親自實驗，推薦的過濾器頻率設置參數如下：

1. 當掃速小于40 mV/s時，電壓和電流過濾器頻率設為1 Hz或10Hz。

2. 當掃速介于40 mV/s和100 mV/s之間時，電壓和電流過濾器頻率設為10 Hz。

3. 當掃速高于100 mV/s時，電壓和電流過濾器頻率設為100 Hz或以上。

（注：公司推薦電壓和電流過濾器頻率始終保持一致以保護儀器。）

圖2. 電流電壓過濾器頻率設定位置。

如圖3，所示，當將過濾器頻率設置為10 Hz時，信噪比明顯提高。

圖3. 10 mV/掃速下，電流電壓過濾器10 Hz時獲得的循環伏安圖線（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，既然過濾器時用來過濾掉高頻干擾的，那為什么不為所有掃速的過濾頻率都設置成最低的1 Hz呢？這是考慮到取樣速度的問題。當掃速增大時，取樣速度加快，儀器測試頻率也隨之加快。此時當電位達到設定的最大值或最小值時（即電位窗口的上限或下限），掃描方向將發生回轉，取樣頻率瞬時增大。如果過濾器頻率設置過低，則可能把曲線轉角處的數據過濾掉，造成實驗數據點丟失。因此，使用者在測試時需要觀察屏幕上的曲線是否延伸到了最大電勢及最小電勢：將所得曲線在轉角處放大，確認最大或最小電勢處有數據點顯示。

另外，在設置電壓電流過濾器后，低掃速下有時會出現很尖的峰。這就涉及到第二個問題。

【問題二】循環伏安圖莫名出現“鬼峰”

【問題描述】

情況一：曲線出現尖峰（圖4）。

情況二：當使用默認電流電壓過濾器時，高掃速下（一般高于200 mV/s）曲線出現階躍梯狀峰并完全變形（圖5）。測試同時可以聽到儀器內部發出“咔咔咔”的響聲。

所形成的峰在恒電流充放電實驗中無法看到對應的平臺，可以確定尖峰或階梯峰并非來自材料本身。

圖4. 金電極在1 mM K3[Fe(CN)6]（0.1 M KCl支持電解質）溶液中，掃速為100 mV/s時獲得的循環伏安圖線。

圖5. 1000 mV/掃速下時獲得的循環伏安圖線（其余參數默認）。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

【產生原因】

由于儀器自動切換電流量程造成。

PARSTAT儀器內置了數個阻值不同的電阻，用以調節電流量程（圖6）。儀器默認電流量程為Auto，將從最小量程（即接通最大阻值電阻）開始。當在測試過程中，儀器檢測到電流將要超出當前量程后將自動切換到下一量程。這一過程需要儀器測試電路從大阻值電阻切換到對應的較小阻值的電阻。儀器在切換電阻時，電流會電阻組織變化產生階躍并在短時間內弛豫。反映在獲得的電流信號上就是一個尖峰。特別的，在高掃速情況下，電流大小變化迅速，電阻切換次數相應加快。由于高掃速下電流數值大，變化快，但儀器默認狀態下又是從最小量程開始，這就造成了儀器需要在短時間內切換數個電阻（從100 MΩ最大阻值電阻依次向上切換）以達到測試要求。每一次量程的切換將對應一次電流階躍，這便造成了圖5所見的階梯狀圖形。同時，儀器發出的響聲便是切換量程時產生的。

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

圖6. 儀器利用不同電阻調節電流量程。

【解決辦法】

明白了問題產生的原因，解決辦法就很簡單了：只需要在測試的時候給儀器指定一個量程便可解決問題。操作方法是在參數設定的“Current Range（電流量程）”下選擇適宜的量程（默認情況下為Auto，圖7）。量程以略大于某掃速下的最大電流為宜。對于電容電極，電流會隨著掃速增大而正比增加。因而對不同掃速，電流量程可能需要不斷修改，以防止電流超過量程的情況發生。如果電流超量程，右側的數據欄里的過載數據會被黃色高亮，左側實時曲線會變成一條平直的線。此時應提高量程。

圖7. 電流量程設定位置

固定了電流量程后，儀器將不再自動切換電阻，“鬼峰”也就不再出現了（圖8和圖9）。另外，對于圖10我們可以看到在0~0.5 V、正掃向的電流“正常”區域，使用Auto電流量程時（黑線）還會造成所測的電流虛高，使得測試結果不正確（圖10）。

圖8. 金電極在1 mM K3[Fe(CN)6]（0.1 M KCl支持電解質）溶液中，電流量程20 μA、掃速為100 mV/s時獲得的循環伏安圖線。

圖9. 1000 mV/掃速下、電流量程為2 A時獲得的循環伏安圖線。測試器件：6 M KOH水系電解液，多孔碳電極，對稱超級電容器。

圖10. 1000 mV/掃速下不同電流量程下獲得的循環伏安圖線比較。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。

筆者接觸PARSTAT工作站時間不長，許多使用上的問題目前仍在研究中，希望日后能有更多收獲和使用心得與大家分享心得。筆者同時也希望同廣大讀者交流探討電化學測試中遇到的問題，本人的聯系信息可在個人網站首頁（https://liutianyuresearch.weebly.com/）上找到。

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