《Journal of the Indian Chemical Society》：Comprehensive adsorption study of methyl red onto MFe
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4 using DFT calculations and Monte Carlo simulations
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本研究通过AC电导分析和等效电路模型，探究了0.1-0.3 M KCl溶液的浓度依赖性电导与动力学特性，揭示了离子迁移率与电极极化效应的协同作用机制，验证了经典电解质理论中德拜屏蔽长度的浓度相关性，并发现非理想行为源于离子配对和电极界面异质性。研究建立了连接宏观电化学参数与微观离子动力学的实验框架，为优化电化学系统提供理论支撑。
Meryem Bensemlali|Halima Mortadi|Abdellatif Aarfane|Abdoullatif Baraket|Abdelowahed Hajjaji|Said Laasri|Mina Bakasse|Najoua Labjar|Hamid Nasrellah
摩洛哥El Jadida市Chouaib Doukkali大学教育与培训学院
摘要
本研究探讨了0.1–0.3 M浓度范围内KCl溶液的浓度依赖性电学和动态特性，以阐明离子传输机制并验证经典电解质理论。通过交流电导率分析，我们观察到随着浓度的增加，离子电导率增强，表现为Nyquist半圆的宽化和CC平台的上升；而等效电路建模则将体相和界面过程分离出来，显示出电阻的减小以及CPE参数的变化。主要结果包括电导率呈线性增长（从4.1 mS/cm增加到15.2 mS/cm），以及不同的松弛时间趋势（体相τ1减小，界面τ2增大），这突显了离子迁移率与电极效应之间的相互作用。Debye屏蔽长度遵循κ-1 ∝ c-1/2（A = 0.3036）的关系，验证了理论预测；同时得到的离子迁移率（4.25–5.25 × 10-8 m2/V·s）和扩散率（1.09–1.35 × 10-9 m2/s）揭示了中等浓度下的非理想行为。本研究提供了一个将宏观测量结果与微观离子动力学联系起来的可靠实验框架，为优化电化学系统提供了见解。
引言
电化学阻抗谱（EIS）已成为表征电解质溶液（特别是水中的氯化钾KCl）不可或缺的工具。该技术通过分析系统对交流电（AC）信号的响应，提供了关于离子电导率、界面现象和电荷转移机制的关键信息[1]。KCl作为一种理想的模型电解质，因其完全解离、明确的离子迁移率以及在生物和工业应用中的重要性而受到青睐[2]。通过研究频率依赖的阻抗响应，研究人员可以提取出溶液电阻、双层电容和松弛时间等关键参数，这些参数对于理解电化学行为至关重要[3]。EIS的最新进展使得这些系统的建模更加精确，从而弥合了理论预测与实验观察之间的差距[4]。
EIS数据的解释在很大程度上依赖于等效电路建模（ECM），其中电气元件代表了电化学系统中的物理过程。对于KCl溶液，常见的电路元件包括用于离子传导的电阻器、用于双层充电的电容器以及用于解释非理想行为的恒相元件（CPEs）[5]。高频响应通常反映了体相电解质的特性，而低频区域则捕捉到了吸附或扩散等界面过程[6]。先进的ECM现在结合了分布式元件（如Warburg阻抗）来更准确地模拟质量传输限制[7]。这些模型通过与实验数据的比较得到验证，确保了离子迁移率和浓度等物理化学参数的可靠提取[8]。
EIS分析的一个最重要的方面是它能够将测量的阻抗参数与基本的化学和物理性质联系起来。例如，溶液电阻（Rs）与离子电导率成反比，而离子电导率又取决于离子迁移率和电解质浓度[9]。双层电容（Cdl）提供了关于电极-电解质界面的信息，包括由Debye长度描述的离子云的厚度[10]。此外，从EIS数据中得到的松弛时间有助于了解离子迁移和界面极化等动力学过程[11]。这些关系对于优化电化学系统尤为重要，因为在这些系统中精确控制离子传输和界面性质对性能至关重要[12]。
最近的研究扩展了EIS在KCl溶液中的应用，特别是在能量存储、腐蚀科学和生物物理学领域。在超级电容器中，EIS有助于优化电解质配方以提高充电容量[13]；在腐蚀研究中，它能够监测氯化物引起的金属降解，从而提前预警材料失效[14]。在生物学应用中，KCl作为生理电解质的作用至关重要[15]。此外，EIS数据分析的整合彻底改变了参数提取方式，使得复杂系统的建模更加准确和高效[16]。这些进展凸显了EIS在基础研究和工业应用中的多功能性[16, 17]。
尽管EIS被广泛使用，但在解释数据方面仍存在挑战，尤其是在高浓度KCl溶液中，非理想行为变得显著。离子配对、介电饱和和电极表面异质性等问题会复杂化数据分析[18]。未来的研究旨在通过结合分子动力学模拟与宏观ECM的多尺度建模方法来解决这些挑战[19]。通过改进这些技术，研究人员希望能够更全面地理解电解质在各种条件下的行为[20]。这一持续的发展确保了EIS将继续成为电化学领域的核心技术，为离子、溶剂和界面之间的动态相互作用提供更深入的见解。
本研究的主要目标是通过交流电导率分析，全面研究0.1-0.3 M浓度范围内水基KCl溶液中的离子传输机制和界面极化动力学，量化电导率（σ）、离子迁移率（μ）和有效扩散率（D）的浓度依赖性趋势，开发等效电路模型以分离体相离子迁移（高频响应）与界面过程（低频分散），并验证测量的Debye屏蔽长度（κ-1）和松弛时间（τ1, τ2）与经典电解质理论的一致性，同时识别由于中等浓度下的离子-离子相互作用和电极极化效应导致的偏离理想行为。
材料与方法
将高纯度氯化钾（KCl，≥99.0%）溶解在二次蒸馏水中，制备了三种标准化的电解质溶液，浓度分别为0.1 M、0.2 M和0.3 M。使用BioLogic SP-200电位计在100 kHz至10 mHz的频率范围内进行了电化学阻抗谱（EIS）测量。采用了对称的双电极配置（Pt–Pt），两个电极同时作为工作电极和
交流电导率分析
通常，Nyquist图是阻抗的虚部（-Z'')与实部（Z'）之间的关系图。但在这里，我们绘制了交流电导率的虚部σ''和实部σ'。实际上，我们使用以下标准关系从阻抗数据中推导出了复电导率（σ* = σ′ + jσ″）：其中L是电极之间的距离，A是电极表面积，(Z?(ω))是角频率的复阻抗函数。这种转换允许
结论
本研究通过交流电导率分析、阻抗谱和理论建模，全面研究了0.1–0.3 M浓度范围内KCl溶液的电学和动态特性。Nyquist图显示了浓度依赖的离子电导率，随着浓度的增加，半圆弧变宽，表明松弛过程分布不均。频率依赖的电导率谱证实了理想强电解质的行为，直流电导率（σ0）随浓度增加而上升
CRediT作者贡献声明
Said Laasri：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。Abdelowahed Hajjaji：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。Abdoullatif Baraket：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
中等浓度KCl溶液中的非理想离子传输：通过阻抗谱和等效电路建模分离体相和界面动力学Meryem Bensemlali, Halima Mortadi, Abdellatif Aarfane, Abdoullatif Baraket, Abdelowahed Hajjaji, Said Laasri, Mina Bakasse, Najoua Labjar, Hamid Nasrellah。
