普林斯頓電化學(xué)工作站是美國安美特克（AMETEK）公司旗下普林斯頓應(yīng)用研究（Princeton Applied Research）研發(fā)的一系列電化學(xué)工作站。該系列工作站為電化學(xué)工作者提供了在傳感、能量存儲、電化學(xué)分析和腐蝕防護(hù)等領(lǐng)域的多種功能。但也因?yàn)樵谄湓谑褂脮r(shí)所需要選擇的功能和設(shè)置的參數(shù)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(xué)工作站利用循環(huán)伏安法測試超電容器性能時(shí)便遇到了以下將要討論的兩個(gè)問題。通過與公司技術(shù)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(xué)科研工作者提供一點(diǎn)參考。以下內(nèi)容以筆者實(shí)驗(yàn)室的PARSTAT 4000+儀器為準(zhǔn)，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(yīng)該是通用的。

PARSTAT 4000+和3000電化學(xué)工作站

【問題一】低掃速下獲得的循環(huán)伏安圖信噪比低

【問題描述】

通常當(dāng)掃速低于20 mV/s時(shí)，所測得的圖線非常毛糙，信號噪音大（圖1）。當(dāng)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(shù)值取決于電極活性材料的質(zhì)量，一般為20 mV/s，且隨活性材料的質(zhì)量增大而減小。）

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

10 mV/掃速下獲得的循環(huán)伏安圖線（除掃速外其余參數(shù)均默認(rèn)）。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(chǎn)生原因】

這是由于環(huán)境中的電磁波及物理干擾（如振動）影響測試系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)定位置參見圖2。PARSTAT儀器在循環(huán)伏安測試時(shí)用戶可選定過濾器的頻率可從1 Hz到>1000 Hz。默認(rèn)狀態(tài)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(chǎn)生干擾的電磁波頻率位于此默認(rèn)頻率之下，故而需要人為設(shè)置參數(shù)進(jìn)行過濾。經(jīng)筆者親自實(shí)驗(yàn)，推薦的過濾器頻率設(shè)置參數(shù)如下：

1. 當(dāng)掃速小于40 mV/s時(shí)，電壓和電流過濾器頻率設(shè)為1 Hz或10Hz。

2. 當(dāng)掃速介于40 mV/s和100 mV/s之間時(shí)，電壓和電流過濾器頻率設(shè)為10 Hz。

3. 當(dāng)掃速高于100 mV/s時(shí)，電壓和電流過濾器頻率設(shè)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(hù)儀器。）

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

電流電壓過濾器頻率設(shè)定位置。

所示，當(dāng)將過濾器頻率設(shè)置為10 Hz時(shí)，信噪比明顯提高。

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

10 mV/掃速下，電流電壓過濾器10 Hz時(shí)獲得的循環(huán)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(shè)置成最低的1 Hz呢？這是考慮到取樣速度的問題。當(dāng)掃速增大時(shí)，取樣速度加快，儀器測試頻率也隨之加快。此時(shí)當(dāng)電位達(dá)到設(shè)定的最大值或最小值時(shí)（即電位窗口的上限或下限），掃描方向?qū)l(fā)生回轉(zhuǎn)，取樣頻率瞬時(shí)增大。如果過濾器頻率設(shè)置過低，則可能把曲線轉(zhuǎn)角處的數(shù)據(jù)過濾掉，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)丟失。因此，使用者在測試時(shí)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(zhuǎn)角處放大，確認(rèn)最大或最小電勢處有數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示。

另外，在設(shè)置電壓電流過濾器后，低掃速下有時(shí)會出現(xiàn)很尖的峰。這就涉及到第二個(gè)問題。

【問題二】循環(huán)伏安圖莫名出現(xiàn)“鬼峰”

【問題描述】

情況一：曲線出現(xiàn)尖峰（圖4）。

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

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

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

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

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

1000 mV/掃速下時(shí)獲得的循環(huán)伏安圖線（其余參數(shù)默認(rèn)）。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(chǎn)生原因】

由于儀器自動切換電流量程造成。

PARSTAT儀器內(nèi)置了數(shù)個(gè)阻值不同的電阻，用以調(diào)節(jié)電流量程（圖6）。儀器默認(rèn)電流量程為Auto，將從最小量程（即接通最大阻值電阻）開始。當(dāng)在測試過程中，儀器檢測到電流將要超出當(dāng)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(yīng)的較小阻值的電阻。儀器在切換電阻時(shí)，電流會電阻組織變化產(chǎn)生階躍并在短時(shí)間內(nèi)弛豫。反映在獲得的電流信號上就是一個(gè)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(shù)相應(yīng)加快。由于高掃速下電流數(shù)值大，變化快，但儀器默認(rèn)狀態(tài)下又是從最小量程開始，這就造成了儀器需要在短時(shí)間內(nèi)切換數(shù)個(gè)電阻（從100 MΩ最大阻值電阻依次向上切換）以達(dá)到測試要求。每一次量程的切換將對應(yīng)一次電流階躍，這便造成了圖5所見的階梯狀圖形。同時(shí)，儀器發(fā)出的響聲便是切換量程時(shí)產(chǎn)生的。

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

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

儀器利用不同電阻調(diào)節(jié)電流量程。

【解決辦法】

明白了問題產(chǎn)生的原因，解決辦法就很簡單了：只需要在測試的時(shí)候給儀器指定一個(gè)量程便可解決問題。操作方法是在參數(shù)設(shè)定的“Current Range（電流量程）”下選擇適宜的量程（默認(rèn)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(fā)生。如果電流超量程，右側(cè)的數(shù)據(jù)欄里的過載數(shù)據(jù)會被黃色高亮，左側(cè)實(shí)時(shí)曲線會變成一條平直的線。此時(shí)應(yīng)提高量程。

干貨：普林斯頓PARSTAT電化學(xué)工作站循環(huán)伏安測試之兩個(gè)問題

電流量程設(shè)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(xiàn)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?！眳^(qū)域，使用Auto電流量程時(shí)（黑線）還會造成所測的電流虛高，使得測試結(jié)果不正確。

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

1000 mV/掃速下、電流量程為2 A時(shí)獲得的循環(huán)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/掃速下不同電流量程下獲得的循環(huán)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。