EQCM-D 代表耗散型电化学石英晶体微天平。它是一种将电化学原理与石英晶体微天平 (QCM) 技术相结合的分析技术,可以高灵敏度地研究表/界面的分子相互作用和反应过程。
1 什么是EQCM/EQCM-D?
耗散型电化学石英晶体微天平 (EQCM-D) 是一种实时表面传感分析技术,它将电化学与耗散型石英晶体微天平 (QCM-D)技术相结合。该技术可以同时监测质量变化、粘弹性以及电极表面的电流、电位的变化。这些信息用于表征表面和界面处的分子相互作用和反应,并研究各种应用中的界面过程,包括电池研究、腐蚀研究、燃料电池开发以及生物学应用等。
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能够在同一表面上联合应用 QCM-D 和电化学分析。
2 EQCM/EQCM-D 如何工作?
基本原理和工作原理
EQCM-D 通过QCM-D测量两个参数,即石英晶体芯片传感器的共振频率 ( f ) 和耗散因子 ( D ),其中频率(f)与表面的质量变化有关,耗散因子( D )与表面附着层的柔软度或粘弹性有关。通过施加电势,可以引发电化学反应,并可以实时监测由此产生的质量和粘弹性变化。
电化学和 QCM-D 这两种方法非常适合结合使用,因为它们都是基于表面的技术。QCM-D 可以通过频率或耗散变化的形式提供薄膜质量和结构的实时信息,而电化学可以作为交互作用的刺激源或提供关于界面电荷转移的信息。
QSense EQCM-D 是一种多倍频EQCM-D,它能够在多个倍频下测量f和D ,并可在纳米级灵敏度分析界面过程。
电化学池的设计
用于 EQCM-D 实验的电化学池通常由三个电极组成:工作电极(WE)、参考电极(RE)和对电极(CE),如图 1 所示。石英晶体传感器充当工作电极,用于监测电化学反应和质量变化。
石英晶体传感器用作工作电极。其表面涂有导电材料(如金),以促进电化学反应。
参比电极通常是标准电极,例如 Ag/AgCl 电极,为测量工作电极的电势提供稳定的参考电势。
对电极通常由惰性材料(如铂)制成,通过允许电流在工作电极和对电极之间流动来完成电路。
图 1:QSense EQCM-D 模块的截面示意图,显示了三电极配置。
伏安法
典型的 EQCM-D 设置将循环伏安法 (CV) 与 QCM-D 相结合,能够在传感器表面电势 (E) 变化时同时测量频率 (f)、耗散 (D) 和电流 (I)。
这种方法可以将 QCM-D 与电化学结果直接关联起来,图 2。例如,在电池电极材料的研究中,CV 可以帮助识别参与电荷存储机制的特定离子及其对电极质量和粘弹性的影响。
在循环伏安法 (CV) 中,通过循环改变工作电极的电势,并测量产生的电流,从而研究电极表面发生的氧化还原反应及其相应的质量变化。这种方法能够直接关联 QCM-D 和电化学结果,如图 2 所示。例如,在研究电池电极材料时,CV 可帮助识别参与储能机制的特定离子及其对电极质量和粘弹性特性的影响。

图 2:EQCM-D 测量铜在金芯片上的沉积和剥离过程。将硫酸铜溶液(10 mM CuSO4 于 0.1 M H2SO4 中)注入 QEM 模块中,随后进行五个循环伏安(CV)循环,起始电势为 +0.3 V,并在 -0.5 V 和 +0.5 V 之间以 50 mV/s 的速度来回循环。QCM-D 数据显示了一个可逆的过程,其中频率 (f) 的降低表明表面质量的增加,而耗散 (D) 的增加表明薄膜的粘弹性特性。
电化学阻抗谱 (EIS)
另一种可以与 QCM-D 结合使用的技术是电化学阻抗谱 (EIS)。EIS 测量电化学系统在一定频率范围内的阻抗,从而深入了解电荷转移过程和界面层的特性。该技术对于研究各种电化学系统中薄膜和界面层的特性尤为有用。
例如,在研究脂质膜时,QCM-D 和 EIS 的结合可以全面了解膜的结构和功能特性,并揭示诸如膜破坏等现象。
3 您可以从 EQCM / EQCM-D 中提取的信息
除了所选方法(例如循环伏安法 (CV)、恒电流充放电或电化学阻抗谱 (EIS))提供的电化学信息外,EQCM-D 还可提供有关电极表面界面层的质量、厚度和粘弹特性的信息。
这些时间分辨的电化学、质量和机械信息相结合,可在纳米尺度深入了解各种电化学过程的机制。
4 EQCM / EQCM-D 的应用领域
EQCM-D 是研究各种界面过程的强大工具,广泛应用于多个领域,包括电池研究、燃料电池开发、电化学沉积、聚电解质多层膜、生物分子相互作用以及膜电位测量。以下提供了一些应用示例。
- 电池研究
EQCM-D 可以深入了解多种电池现象,例如相变、电极表面形貌演变以及在电沉积过程中形成的中间物质。
例如,该方法已被用于研究电池电极材料的电荷存储机制,提供了对离子在氧化还原活性材料中的储存方式以及电压依赖的储能机制的深入了解。
此外,EQCM-D 还被用于研究不同电解质中固态电解质界面 (SEI)的形成、演变和机械性能。研究重点包括监测 SEI 的生成过程以及所形成层的粘弹特性。
- 燃料电池的开发
EQCM-D 可用于分析燃料电池电极的腐蚀过程,例如聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC) 中的电极,它有助于了解由于腐蚀引起的质量损失以及这些反应的温度依赖性。
- 生物分子相互作用和生物膜
EQCM-D 可用于研究生物分子与表面之间的静电相互作用,例如氧化还原蛋白、细胞和 DNA。这有助于了解分子水平上的结合和相互作用机制。
EQCM-D 还可用于测量膜电位,并研究脂质膜的结构和功能特性。这包括监测酶对脂质膜的破坏作用。
5 EQCM 和 EQCM-D的对比
EQCM 与 EQCM-D 对比
EQCM 仅测量质量变化,而 EQCM-D 除了提供质量变化的信息外,还能提供吸附层的粘弹性特性。这使得 EQCM-D 成为研究复杂界面过程的更为全面的工具。例如,在电池研究中,EQCM-D 不仅可以提供质量变化的信息,还能揭示 SEI 层的机械性能,这对优化电池性能至关重要。
此外,由于 QSense EQCM-D 可同时在多个倍频下测量频率 (f) 和耗散因子 (D),因此您可以进行粘弹性建模,而这一点在普通 EQCM 装置上无法实现。