Warburgimpedantie

Warburgimpedantie is een impedantie-element uit de elektrochemie dat wordt gebruikt om diffusieprocessen bij een elektrode te modelleren in elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS). Ze ontstaat wanneer het massatransport van reactieve stoffen door diffusion de belangrijkste beperkende factor is naast de electron-transfer, wat leidt tot karakteristieke frequentie-afhankelijke reacties.

Bij diffuse-snelle (semi-infinite) diffusie volgt de impedantie een kenmerkende frequentie-afhankelijkheid: Z_W(ω) = σ / √(jω). Dit impliceert dat de amplitude van de impedantie afneemt als 1/√ω en dat de fase −45 graden is. In een Nyquist-plot verschijnt Warburgimpedantie als een rechte lijn met een hoek van 45 graden ten opzichte van de Re(Z)-as, bij lage tot middelhoge frequenties.

De Warburg-coëfficiënt σ hangt af van fysische parameters zoals de diffusiecoëfficiënt D, de bulkconcentratie C*, het electrodeoppervlak A en het aantal elektronen n dat betrokken is bij de redoxreactie, evenals de temperatuur. Een veelgegeven uitdrukking voor σ is σ ≈ RT / (A n^2 F^2 C* √(2D)), waardoor σ kleiner wordt bij grotere diffusiecoëfficiënten en grotere oppervlakken.

Finite-length Warburg verwijst naar diffusie die niet semi-infinite is, bijvoorbeeld wanneer diffusie-limietaties door een eindige laag of geometrische beperkingen optreden. In dergelijke gevallen wijkt de impedance af van de ideale 45°-lijn bij lage frequenties en kan het zich gedragen als een gecombineerde Warburg- en condensator- of weerstandselement, wat in circuitmodellen wordt opgenomen als een eindige Warburg-term.

Toepassingen van Warburgimpedantie komen voor in batterijen, brandstofcellen, corrosieonderzoek en elektrochemische sensoren, waar EIS wordt gebruikt om diffusieprocessen te kwantificeren en diffusieretransport te karakteriseren.