CN103424629B - 一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，包括以下步骤：将信号发生器、可变电阻、固定电阻及电导池串联成一回路，将示波器并联在固定电阻与电导池的两端，使示波器分别检测固定电阻与电导池两端的电压；将氧化石墨烯溶液加入电导池中，打开信号发生器与示波器，分别记录固定电阻及电导池两端的电压；利用分压原理，已知固定电阻的阻值、固定电阻及电导池两端的电压，即可计算得到氧化石墨烯溶液的电阻值。与现有技术相比，本发明装置简便，而且费用较低，操作简单，可以准确提供氧化石墨烯溶液的阻抗特性，既避免了电极双电层对实验测定的影响，又不需要花费专业仪器的高昂的价钱，在氧化石墨烯溶液的实验中可以起到十分重要的作用。

Description

一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法

技术领域

本发明涉及电化学工程领域，尤其是涉及一种交流电化学法测定氧化石墨烯溶液的阻抗特性的简易方法。

背景技术

氧化石墨烯可以分散在水中形成稳定的胶体溶液。根据经典的胶体理论DLVO，氧化石墨烯在水中分散成稳定的胶体时，其表面必然带有一定的电荷。氧化石墨的表面本身带有官能团，其在水中带电荷的主要原因是官能团羟基的电离。那么，如果能获得氧化石墨烯溶液的阻抗值，就可以获得氧化石墨烯在水溶液中电离的性质，进而分析氧化石墨烯在溶液中的表面滑动电位，为分析氧化石墨烯表面电荷密度提供帮助。所以采用一定的合适的方法获得氧化石墨烯溶液的电阻是十分必要的。

对纯欧姆电阻，其电阻值的测定是很容易的，采用欧姆定律，只要用直流电压表和电流表就可以用欧姆定律求得。将需要测定的未知电阻连接在电路中，通电后，读取电压值和电流值，就求得了未知电阻的阻值。这是一种很简便且容易实现的测定方法，然而这种测定电阻的方法的应用范围是有局限的，譬如在氧化石墨烯溶液电阻的测定就不准确了。

对于氧化石墨烯溶液的电阻，如果直接利用电压表和电流表来测定了，那么就需要将氧化石墨烯溶液直接连接在电路中。在直流电压调节下，电极的极化很大，而且会发生电化学反应，测定的电阻值就不准确了。电极极化的原因是因为溶液中的离子在电场有受到作用而吸附于电极附近而形成双电层，双电层在电路中就起到了电容器的作用，而且在电极上会发生电化学反应。电工学的知识可知，电容器在直流电路中起到断开作用的，那么如果直接用直流电来测定氧化石墨烯溶液的电阻，就会因双电层的存在及电化学反应而影响测量的准确性。故对于氧化石墨烯溶液的电阻的测定是需要寻找更合适的测量更准确的方法。

交流阻抗法是一种电化学测试技术，它能提供电极或溶液的电化学性质。近年来，电化学迅速发展，为电化学测试提供了理论依据。在电化学的测量中，利用小幅度的交流电通过研究电极，从电极电位的变化情况可以求得电极过程中电动力学的参数，为电化学的发展提供了极大的贡献。目前已经在电极动力学、吸附速率等方面的研究中取得了很大的发展。这种方法应用在测定氧化石墨烯溶液的电阻上是很准确的。它考虑了双电层的副作用，利用交流阻抗技术，准确地获得氧化石墨烯溶液的阻抗性质。但是这种方法需要用专业的测试仪器，比如电化学工作站，然而这样的仪器因其精密度要求高而价格昂贵，对于一般的实验室条件下是不易购买的。但对于氧化石墨烯溶液电阻的测定还是必要的，所以需要找到一种更简便的且容易测定氧化石墨烯溶液的方法和装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试方法简单易行、测试仪器常见易得、测试费用较低、准确率较高的测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法。

本发明采用交流电来测定氧化石墨烯溶液的阻抗性质。采用示波器检测电信号，在电路中接入一个已知电阻值的电阻器，通过分压原理确定溶液的电阻。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，该方法包括以下步骤：

(1)将信号发生器、可变电阻、固定电阻及电导池串联成一回路，将示波器并联在固定电阻与电导池的两端，使示波器分别实时检测固定电阻与电导池两端的电压；

(2)将氧化石墨烯溶液加入电导池中，设置信号发生器的频率与幅值，打开信号发生器与示波器，调节可变电阻，待示波器中信号稳定后，分别记录固定电阻及电导池两端的电压；

(3)利用分压原理，已知固定电阻的阻值、固定电阻及电导池两端的电压，即可计算得到氧化石墨烯溶液的电阻值。

还包括以下后续步骤：

(4)倒出电导池中的氧化石墨烯溶液，并将配制好的标准KCl溶液置于电导池中，开启信号发生器和示波器，利用分压原理得到标准KCl溶液的电阻值为R_KCl，标准KCl溶液的电导率K_KCl为可查的已知数据，通过C_cell＝K_KCl×R_KCl，即可计算得到电导池的电导池常数C_cell；

(5)根据C_cell＝K_{氧化石墨烯}×R_{氧化石墨烯}，其中，K_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电导率，R_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电阻值，已知电导池常数C_cell和氧化石墨烯溶液的电阻值R_{氧化石墨烯}即可计算得到氧化石墨烯溶液的电导率K_{氧化石墨烯}。

所述的信号发生器可提供交流电信号，包括正弦交流、脉冲交流、方波或三角波信号。

所述的可变电阻的阻值为0～5kΩ，可变电阻起到调节作用，为测定过程提供变化的数据。

所述的固定电阻的阻值为2～5kΩ，固定电阻的阻值比较大，以稳定电路中的电流值，使之维持在比较小的范围内。

所述的电导池为长方体的玻璃槽，并设有配套的电极，所述的电导池的池壁上设有刻度。

所述的示波器是用来观测电压信号随频率和时间的变化，并提供实验中的电学数据。

所述的氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-2mg/ml。

所述的标准KCl溶液的浓度为0.001～0.1mol/l。

在打开信号发生器与示波器之前，将可变电阻调至最大值。

与现有技术相比，本发明利用了交流阻抗技术的原理，结合了信号发生器、示波器等实验室中常用的仪器来测定氧化石墨烯溶液的阻抗性质。本发明的实验装置简便，而且费用较低，各个组成部件容易搭建，操作简单，可以准确提供氧化石墨烯溶液的阻抗特性，既避免了电极双电层对实验测定的影响，又不需要花费专业仪器的高昂的价钱，在氧化石墨烯溶液的实验中可以起到十分重要的作用。

附图说明

图1为分压原理示意图；

图2为通电时溶液的等效电路图；

图3为测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

分压原理示意图如图1所示，在电路中，串联两个电阻时，流过它们的电流是相等的，那么利用欧姆定律可知，它们的电阻于它们的分压是成正比的，即U₁/U₂＝R₁/R₂。

直流电测量溶液电阻时，电极需要与溶液接触，在电场的作用下离子吸附在电极附近形成双电层且会伴有电化学反应，这是用直流法难以准确测定溶液电阻的原因。如果采用交流电来测量，则可以避免双电层的影响，双电层的建立是需要时间的，而且交流电采用合适的方式可以减小双电层形成的电容对溶液电阻测量的影响。

由于双电层的存在，我们可以等效的理解此时的电路为：双电层形成的电容C与电极电阻R_扩散层的并联，然后串联上溶液电阻R_溶液，如图2所示。

由于溶液的传质较容易，选择低频和低幅值的正弦波信号，在电路中接有可变电阻器和已知电阻值的电阻器，它们串联一电导池。示波器中的读数有电阻器上的电压和电导池的分压，它们中通过的电流是相同的，所以根据分压原理可以确定出电导池中的氧化石墨烯溶液的电阻值。

一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其使用装置如图3所示，该方法包括以下步骤：

(1)将信号发生器1、可变电阻3、固定电阻4及电导池2串联成一回路，将示波器5并联在固定电阻4与电导池2的两端，使示波器5分别实时检测固定电阻4与电导池2两端的电压，其中示波器5的X接入端连接在固定电阻4的两端，示波器5的Y接入端连接在电导池2的两端；

(2)将氧化石墨烯溶液加入电导池2中，设置信号发生器1的频率与幅值，在打开信号发生器1与示波器5之前，将可变电阻3调至最大值，打开信号发生器1与示波器5，调节可变电阻3，待示波器5中信号稳定后，分别记录固定电阻4及电导池2两端的电压；

(3)利用分压原理，已知固定电阻4的阻值、固定电阻4及电导池2两端的电压，即可计算得到氧化石墨烯溶液的电阻值。

还包括以下后续步骤：

(4)倒出电导池2中的氧化石墨烯溶液，并将配制好的标准KCl溶液置于电导池2中，开启信号发生器1和示波器5，利用分压原理得到标准KCl溶液的电阻值为R_KCl，标准KCl溶液的电导率K_KCl为可查的已知数据，通过C_cell＝K_KCl×R_KCl，即可计算得到电导池2的电导池2常数C_cell；

(5)根据C_cell＝K_{氧化石墨烯}×R_{氧化石墨烯}，其中，K_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电导率，R_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电阻值，已知电导池2常数C_cell和氧化石墨烯溶液的电阻值R_{氧化石墨烯}即可计算得到氧化石墨烯溶液的电导率K_{氧化石墨烯}。

其中，信号发生器1可提供交流电信号，包括正弦交流、脉冲交流、方波或三角波信号。可变电阻3的阻值为0～5kΩ，可变电阻3起到调节作用，为测定过程提供变化的数据。固定电阻4的阻值为2～5kΩ，固定电阻4的阻值比较大，以稳定电路中的电流值，使之维持在比较小的范围内。电导池2为长方体的玻璃槽，并设有配套的电极，电导池2的池壁上设有刻度，以保证每次加溶液时能够在相同的量。示波器5是用来观测电压信号随频率和时间的变化，并提供实验中的电学数据。

氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-2mg/ml。

标准KCl溶液的浓度为0.001～0.1mol/l。

实施例2

首先确定电导池的参数。

取一定量约1ml配制好的0.001mol/l的标准KCl溶液置于电导池中，开启信号发生器和示波器。确定电导池常数C_cell＝K×R_KCl，其中K为0.001mol/l的KCl标准溶液的电导率为1.494×10^-3S/m(25℃)。

测定0.01mol/l的KCl标准溶液在25℃时的电导率

如图3所示连接好电路。设置信号发生器发出的正弦交流电的频率为1HZ，其幅值为2V。取约1ml的0.01mol/l的KCl溶液。根据分压原理测定电导池中的溶液电阻为1.2Ω。

从书籍中可以查到25℃时，0.01mol/l的KCl溶液的电导率为141.3mS/m。前面的两个实验的电导池常数是相同的，那么应该有K₁×R_KCl1＝K2×R_KCl2。实验两次从不同浓度的溶液确定的电池常数基本相同，说明本装置的实验结果是可靠的，可以用来测定氧化石墨烯溶液的阻抗特性。

如图3所示连接好电路。设置信号发生器发出的正弦交流电的频率为1HZ，其幅值为2V；选择溶液为1g/l的氧化石墨烯溶液，加入电导池中少量，约1ml，电阻值选择为4.69kΩ。准备工作完成后，开启信号发生器和示波器，在示波器中的信号稳定后，记录实验数据。

测定溶液中的分压为0.902V，电阻的分压为0.501V。实验中我们选择的正弦交流电的频率为低频1HZ的，所以此时的双电层的容抗很大，可以忽略，此时的等效电路为溶液电阻与扩散层电阻的串联，所以它们的分压与其电阻成正比，而溶液电阻与扩散层电阻的总和才是我们所要测定的溶液的真正电阻，其分压为0.902V，根据分压原理，则所要测定的实验数据溶液的有效电阻为8.44kΩ。

Claims (7)

1.一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将信号发生器、可变电阻、固定电阻及电导池串联成一回路，将示波器并联在固定电阻与电导池的两端，使示波器分别实时检测固定电阻与电导池两端的电压；

(2)将氧化石墨烯溶液加入电导池中，设置信号发生器的频率与幅值，打开信号发生器与示波器，调节可变电阻，待示波器中信号稳定后，分别记录固定电阻及电导池两端的电压；

(3)利用分压原理，已知固定电阻的阻值、固定电阻及电导池两端的电压，即可计算得到氧化石墨烯溶液的电阻值；

(4)倒出电导池中的氧化石墨烯溶液，并将配制好的标准KCl溶液置于电导池中，开启信号发生器和示波器，利用分压原理得到标准KCl溶液的电阻值为R_KCl，标准KCl溶液的电导率K_KCl为可查的已知数据，通过C_cell＝K_KCl×R_KCl，即可计算得到电导池的电导池常数C_cell；

(5)根据C_cell＝K_{氧化石墨烯}×R_{氧化石墨烯}，其中，K_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电导率，R_{氧化石墨烯}为氧化石墨烯溶液的电阻值，已知电导池常数C_cell和氧化石墨烯溶液的电阻值R_{氧化石墨烯}即可计算得到氧化石墨烯溶液的电导率K_{氧化石墨烯}；

所述的信号发生器可提供交流电信号，包括正弦交流、脉冲交流、方波或三角波信号。

2.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，所述的可变电阻的阻值为0～5kΩ。

3.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，所述的固定电阻的阻值为2～5kΩ。

4.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，所述的电导池为长方体的玻璃槽，并设有配套的电极，所述的电导池的池壁上设有刻度。

5.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-2mg/ml。

6.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，所述的标准KCl溶液的浓度为0.001～0.1mol/l。

7.根据权利要求1所述的一种测试氧化石墨烯溶液阻抗的简易方法，其特征在于，在打开信号发生器与示波器之前，将可变电阻调至最大值。