jak fungují potenciostaty a jejich použití ve vědě a průmyslu (řada základů Elektrochemie)

Téma 20 min čtení

Poslední aktualizace: listopad 12, 2021

v tomto článku je zkoumána role potenciostatů, švýcarských armádních nožů elektrochemického výzkumu a jejich hodnota v R&D, kontrola kvality a testování baterií mimo jiné průmyslové a vědecké oblasti.

za každým dobrým rozhodnutím v elektrochemickém výzkumu leží dobrý potenciostat…

měřicí a analytické nástroje se již dlouho používají ve světě průmyslu a výzkumu k podpoře inovací. Stejně jako zvýšit naše vědecké a technické porozumění, takové nástroje hrají zásadní roli při kvantifikaci a kvalifikaci jevů nepostřehnutelných lidským smyslům. Potenciostaty jsou skvělým příkladem takových analytických zařízení a podporují pokrok v oblasti elektrochemie již více než století.

Potenciostaty (někdy označované jako elektrochemické stanice nebo potenciostaty / galvanostaty) jsou životně důležité měřicí a řídicí nástroje používané především v elektrochemickém výzkumu, stejně jako v jiných průmyslových oborech. V elektrochemii se potenciostaty používají jak v základním, tak v aplikovaném výzkumu, aby získaly lepší porozumění elektrodovým procesům, analytické chemii, výzkumu baterií a výzkumu koroze. Sekundární aplikace zahrnují chemickou syntézu a biologii. Úplný seznam těchto aplikací uvidíte v tomto článku.

Potenciostaty se ukázaly jako hlavní nástroje ve vývoji sekundárních baterií díky své schopnosti studovat elektrochemická rozhraní. Umožňují také testování baterií díky své schopnosti nabíjet a vybíjet baterii za předem definovaných podmínek.

tento článek poskytne široký přehled o úloze potenciostatu ve výzkumu a průmyslu a popíše, jak fungují.

na první pohled: co je potenciostat / galvanostat?

potenciostat / galvanostat je přístroj, který řídí aplikaci napětí nebo proudu na elektrochemickou elektrodu (podrobný popis níže). Potenciostat / galvanostat je hlavním nástrojem používaným v elektrochemických a elektroanalytických experimentech.

přehled: funkční režimy

Potenciostatické / Galvanostatické režimy

Potenciostatiky / galvanostaty mají dva hlavní funkční režimy v závislosti na ovládaném elektrickém množství-potenciál nebo proud – Nazývají se potenciostatické a galvanostatické režimy (viz obrázky 1 & 2 níže). Pokud se potenciostatik / galvanostat používá v potenciostatickém režimu, může být označován jako potenciostatik.

v potenciostatickém režimu aplikuje potenciostat a řídí potenciál a měří proud protékající elektrochemickým systémem (viz Obrázek 1 níže).

Obrázek 1: Princip potenciostatického režimu.

na první pohled: Potenciostatický režim

potenciostatický režim měří a řídí rozdíl napětí mezi pracovní elektrodou a referenční elektrodou, která má konstantní potenciál. Tento, možná nejčastěji používaný režim elektrochemické pracovní stanice, měří tok proudu mezi pracovní elektrodou a protielektrodou (která doplňuje obvod článku).

je běžné použít „napěťovou rampu“, kde je napětí aplikováno postupně (potenciodynamická technika) nejoblíbenější je cyklická voltametrie (CV). Cyklická voltametrie je rychlá a snadná technika k dosažení úplného chování elektrochemického systému (viz cyklická voltametrie: jak získat skvělé výsledky s potenciostatem).

techniky nejčastěji používané v korozní a analytické elektrochemii jsou založeny na potenciostatickém režimu.

v galvanostatickém režimu provádí elektrochemický přístroj Měření potenciálních změn, zatímco proud je aplikován a řízen (viz Obrázek 2 níže).

Obrázek 2: princip galvanostatického režimu.

přehled: Galvanostatický režim

Galvanostatický režim je založen na řízení proudu protékajícího systémem. Pokud se zařízení používá pro tato měření, nazývá se galvanostat. Nejběžnější aplikací pro galvanostatický režim je výzkum baterií.

mnoho moderních elektrochemických technik je založeno na posloupnosti sekvencí využívajících alternativně potenciostatické a galvanostatické režimy. Schopnost přepínat z jednoho režimu do druhého je relativně nedávný vývoj v návrhu potenciostatu, ale ten, který se hojně používá při testování baterií, kde je třeba rychle přepínat z režimu potentio do režimu galvano. Taková funkce vyžaduje špičkové specifikace, jako jsou specifikace dostupné na biologických potenciostatech.

další funkční režimy

Potenciostaty mají také specifické režimy řízení: napětí otevřeného obvodu (OCV), ampérmetr s nulovým odporem (ZRA) a elektrochemickou impedanční spektroskopií (EIS). Každý z těchto režimů řízení má specifický účel.

režim řízení OCV umožňuje získávání napěťových dat, když je článek v klidovém stavu, tj. když potenciostat nepřináší žádný proud nebo napětí na pracovní elektrodu článku. Tento Řídicí režim se běžně používá pro ekvilibraci elektrochemického článku.

EIS označuje režim sinusového řízení. Potenciostat aplikuje sinusový vstupní signál (proud nebo napětí) a měří odezvu systému. Tento režim řízení je široce používán v elektrochemických a korozních systémech, protože poskytuje mimo jiné podrobné informace o reakční kinetice, rychlostech koroze a parametrech přenosu hmoty. Další informace o elektrochemické impedanční spektroskopii (EIS) naleznete v článku Learning Center „Co je EIS“.

režim řízení ZRA umožňuje stanovení hluku elektrochemického proudu použitím napětí rovného 0 v mezi pracovní elektrodou a protielektrodou (viz popis elektrod) a měřením proudu proudícího mezi dvěma identickými vzorky. Více informací o elektrochemických měření hluku lze nalézt v poznámce k použití #39-1.#39-2, #39-3

bezproblémové spojení mezi rozhraním potenciostatu (software) a potenciostatem (hardware) usnadňuje uživateli správu každého režimu.

v další části dokumentu se podíváme na to, jak přesně funguje potenciostat zkoumáním klíčových komponent a architektury potenciostatu.

jak fungují potenciostaty / galvanostaty?

řízení potenciálu: nastavení tří elektrod

potenciostat je přístroj určený ke studiu elektrochemických procesů. Řízení potenciálu mezifázové pracovní elektrody je zásadní pro zajištění měření proudu při konstantním potenciálu. To umožňuje nastavení tří elektrod.

tyto tři elektrody jsou známé jako pracovní elektroda, referenční elektroda a protielektroda (také nazývaná pomocná elektroda).

pracovní elektroda (WE): zajímavá reakce nastává na rozhraní pracovní elektrody. referenční elektroda (RE): potenciál referenční elektrody je dobře známý a stabilní. Je to referenční bod systému pro řízení a měření potenciálu. Proud protékající touto elektrodou je udržován blízko nuly. protielektroda (CE): Proud proudí mezi pracovní elektrodou a protielektrodou. Protielektroda nemá žádnou roli v elektrochemických reakcích, s výjimkou specifických situací: bateriový článek, galvanická koroze, elektrochemická měření hluku.

obrázek 3: příklad nastavení se třemi elektrodami.

Klíčové potenciostatové komponenty: referenční elektroda a řídicí zesilovač

aby bylo zaručeno, že proudy proudí v důsledku potenciálních změn na rozhraní pracovní elektrody, musí potenciál referenční elektrody zůstat stabilní a odpovídat její teoretické hodnotě. Musí být řádně udržován. (viz kontrola a ověření referenčních elektrod).

řídicí zesilovač (CA) je klíčovou elektronickou součástí potenciostatu. Používá se k udržení napětí mezi referenční elektrodou a pracovní elektrodou co nejblíže napětí vstupního zdroje $E_{\mathrm{i}}$. Obrázek 4 ukazuje polohu řídicího zesilovače ve zjednodušeném provedení moderního potenciostatu .

obrázek 4: základní návrh potenciostatu .

potenciál měřený na referenční elektrodě je přiváděn zpět na záporný vstup řídicího zesilovače. Tím se vytvoří smyčka zvaná „negativní zpětnovazební smyčka“, která umožňuje řídícímu zesilovači přizpůsobit svůj výstup a udržovat potenciální rozdíl odpovídající $E_{\mathrm{i}}$. To umožňuje potenciostatu přesně řídit napěťový signál a dosáhnout správné hodnoty požadované hodnoty. Další informace naleznete v poznámce k biologické aplikaci # 04: „tajemství stability potenciostatu vysvětleno“.

v další části tohoto článku popíšeme technologický vývoj potenciostatů v průběhu času, od jejich počátečního vynálezu až po nejnovější pokroky ve vývoji potenciostatů.

ohlédnutí: historie potenciostatik

první potenciostatickou metodu použil F. G. Cottrell v roce 1903, který pracoval na ověření rovnic přenosu hmoty. Jeho experiment sestával z elektrochemického článku připojeného k baterii v sérii s galvanometrem pro měření proudu. V tomto okamžiku však s tak jednoduchým potenciostatem nebylo možné zjistit potenciální rozdíl na rozhraní pracovní elektrody v obvodu.

Hickling, elektrochemik na univerzitě v Leicesteru, vyvinul v roce 1942 princip moderního tříelektrodového potenciostatu, který dnes známe. Hickling předpokládal, že elektrolytické procesy jsou obecně řízeny potenciálem elektrod, který, do té doby, byl pouze nepřímo regulovatelný úpravou teploty, hustota proudu, nebo materiály elektrod . Hickling přidal do systému třetí elektrodu a vyvinul prostředek pro automatické řízení potenciálu. Obecným principem tohoto návrhu bylo porovnat potenciální rozdíl mezi pracovní elektrodou a referenční elektrodou pomocí napětí odvozeného z potenciometru . Tento princip používaný v Hickling potenciostatu je založen na technologii negativní zpětné vazby (viz výše).

Hicklingový potenciostat byl prvním potenciostatem, který použil záporný zpětnovazební obvod pro měření a řízení napětí elektrod. V roce 1956 použil elektrochemik Prazak slovo potenciostat k popisu hicklingova elektrochemického nástroje.

dalším významným přispěvatelem k vývoji potenciostatu byl Hans Wenking, který na konci 50. a 60. let vyřešil mnoho problémů elektrochemiků tím, že přispěl k návrhu elektroniky, která se dodnes používá v moderních elektrochemických stanicích .

od roku 1971 bylo dosaženo negativní zpětné vazby pomocí elektronické komponenty zvané řídicí zesilovač . Chcete-li se dozvědět více o negativní zpětné vazbě, navštivte článek BioLogic Learning Center „Získejte více ze svého potenciostatu. Pochopení šířky pásma & jeho vliv na měření“.

od 70. let se elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) stala hlavním nástrojem v charakterizaci elektrochemických systémů. Od té doby technologie potentiostatu neustále pokročila s obrovskými vylepšeními z hlediska funkčnosti, výkonu a přesnosti. Jeden z nejnáročnějších problémů při navrhování potenciostatu se týká fenoménu ohmického poklesu (viz článek „korekce ohmického poklesu: prostředek ke zlepšení přesnosti měření“). Tyto Univerzální elektrochemické přístroje se vyvinuly z jednoduchých potenciostatů na potenciostaty / galvanostaty se dvěma hlavními provozními režimy (viz definice potenciostatického a galvanostatického režimu výše).

kromě toho se staly mnohem jednoduššími a stále výkonnějšími. První příklad vícekanálového počítačem řízeného potenciostatu byl viděn v roce 1991 se spuštěním MacPile. Tento potenciostat byl vynalezen dvěma francouzskými vědci, Yves Chabre a Christian Mouget, a komercializován společností BioLogic. Macpile lze považovat za předchůdce široké škály potenciostatů / galvanostatů, které jsou nyní dostupné na trhu.

obrázek 5: První vícekanálový počítačově řízený potenciostat na světě
potenciostat-hromada Mac, která byla zahájena v roce 1991.

princip negativní zpětné vazby inspirovaný a. Hicklingem zůstává dodnes základním kamenem návrhu potenciostatu. Následující odstavec vysvětluje, jak fungují moderní potenciostaty.

aplikace: Jak se potenciostatika používají v akademickém výzkumu a v průmyslu

, v nichž se potenciostatika používají v průmyslových a vědeckých aplikacích?

Potenciostat / Galvanostaty se zdají být nezbytným analytickým nástrojem ve vědeckých i průmyslových oborech. Jsou užitečné v široké škále aplikací a domén, jako je ukládání a přeměna energie, elektrochemie,věda o materiálech, a vědy o živé přírodě, zmínit jen několik. Obrázek 5 níže poskytuje přehled a pro více informací se můžete dozvědět o použití potenciostatu aplikací v BioLogic Learning Center.

obrázek 6: Potenciostaty jsou přítomny v široké škále průmyslových a vědeckých aplikací

zaměření na elektrochemii a skladování energie: dvě z hlavních techno-společenských výzev, kde potenciostaty postupují ve výzkumu a průmyslu

Potenciostaty a senzory

ve většině elektrochemických aplikací potenciostaty / galvanostaty významně přispívají ke zvýšenému porozumění, výzkumu a vývoji elektrochemických systémů.

protože potenciostatika umožňují pozorování redoxních reakcí, je potenciostatik tradičním nástrojem volby pro laboratoře specializující se na analytickou elektrochemii. Například potenciostaty VMP-300 mohou být použity k charakterizaci druhů nebo elektrochemických procesů pomocí techniky cyklické voltametrie biologického softwaru EC-Lab®.

podobně byla použita cyklická voltametrie a další elektrochemická měření (diferenciální pulzní voltametrie a elektrochemická impedanční spektroskopie) s jednokanálovými potenciostaty, jako je biologický SP-50, ke studiu elektroanalytických vlastností imunosenzoru tkaniny. Tyto nositelné senzory monitorují koncentraci kortizolu v lidském potu neinvazivně a v reálném čase. Hladina kortizolu v lidském těle je cenným zdrojem informací, protože vysoká koncentrace kortizolu může varovat před přítomností nádoru .

Potenciostaty a koroze

koroze je také hlavním zaměřením v elektrochemii a oblasti, kde potenciostaty hrají zásadní roli. Globální náklady na korozi se odhadují na 2,5 bilionu dolarů, přičemž kontrola koroze má potenciál ušetřit 375-875 miliard dolarů ročně (ohromující 3,4% globálního HDP v roce 2013). Viz naše učební centrum článek nátěry, koroze a skenovací sonda Elektrochemie. Koroze může mít zničující účinek na infrastrukturu, výrobu/výrobu a dopravu mezi mnoha dalšími činnostmi, které jsou závislé na integritě použitého kovu. Elektrochemické pracovní stanice (potenciostaty) se používají v obecné elektrochemii, aby pomohly lépe porozumět základním elektrochemickým procesům, které vedou k degradaci kovu v reakci s oxidanty, jako je kyslík nebo sírany.

Potenciostaty se také používají ve vědě o materiálech, aby pomohly vyvinout povlaky a zabránit korozi. Jsou velmi užitečné pro takové analýzy, protože umožňují studium rychlosti koroze. Lze například studovat vlastnosti materiálu a struktury na korozních vlastnostech materiálu . Stejně jako potenciostaty, stanice skenovací sondy se používají k lepšímu pochopení místních elektrochemických procesů, ke kterým dochází během koroze. Skenovací stanice sondy poskytují „mikro“ pohled na korozi, na rozdíl od“ makro „pohledu získaného potenciostaty (více informací naleznete v článku „Elektrochemie povlaků, koroze a skenovací sondy“). Příkladem použití skenovacích sond v korozních studiích je analýza distribuce impedanční homogenity materiálu díky technice LEIS (Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy). Tato technika elektrochemie skenovací sondy poskytuje podrobné informace o odolnosti systému proti korozi .

skladování energie a baterie: Použití Potenciostatu na všech úrovních hodnotového řetězce baterie

pokroky ve výzkumu baterií v posledním desetiletí nejsou nic jiného než ohromující. V roce 2010 se lithium-iontová baterie dostala do popředí s exponenciálním růstem telekomunikačního průmyslu a pronikáním mobilního telefonu na trh. Období rychlého technologického rozvoje znamená, že nyní vidíme lithium-iontové baterie pohánějící téměř vše, co vidíme v našem moderním světě-dokonce i automobily. Změna klimatu znamená, že Damoklův meč visí nad velkou částí vyspělého světa se zánikem fosilních paliv a zásadní potřebou najít náhradní zdroje energie. Za tímto účelem, skladování energie je rozhodující pro úspěšný vývoj alternativních energetických strategií-a v tomto okamžiku, baterie vypadají pravděpodobně jako nejúčinnější technologie schopná využít sílu slunce, moře, a vítr. Není proto těžké pochopit, proč je trh s bateriemi tak důležitý. Globální trh s bateriemi je skutečně oblastí vysokého růstu a očekává se, že do roku 2027 dosáhne 279, 7 miliard USD .

Potenciostaty jsou ve výzkumu tak důležité, protože umožňují uživateli charakterizovat každou část článku baterie, ale také zdůraznit článek ve svém konečném návrhu, aby charakterizoval jeho výkon, opakovaným procesem nabíjení / vybíjení, známým jako cyklování baterií. Jak je výkon baterie stále důležitější, kvalita potenciostatu a schopnost systému vést k vhodným údajům, které jsou předmětem zájmu, se také stávají kritickými.

role cykleru baterií

Potenciostaty našly přízeň v různých průmyslových oblastech, zejména díky šíření baterií v celé řadě oblastí, ale zejména v automobilovém a telekomunikačním průmyslu. S růstem trhu sekundárních (dobíjecích) baterií vznikla potřeba nového elektrochemického měřicího přístroje-cykleru baterií. Cyklovače baterií sdílejí mnoho charakteristik potenciostatu, ale tento elektrochemický měřicí nástroj se používá k zodpovězení dvou primárních potřeb. Výrobci používají cyklovače baterií ke kontrole kvality baterií, které vyrábějí. Velké průmyslové organizace nakupují tyto baterie a poté je integrují do svých produktů. Cyklovače baterií pak průmysl používá k výběru a kvalifikaci baterií. Tyto testy často zahrnují cyklování baterií, aby se kvantifikovala jejich kapacita.

během své životnosti může být baterie spojena se systémem správy baterií (BMS), který přizpůsobuje použití baterie ve vztahu k jejímu stavu nabití nebo stavu zdraví (viz článek našeho vzdělávacího centra: „stavy baterie: Státní poplatek (SoC), zdravotní stav (SoH)“). Po jeho počátečním použití lze vnitřní odpor baterie (jejíž vývoj souvisí s procesem stárnutí) kvantifikovat pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS) , aby se určil další krok pro řízení životnosti baterie („second life“ je termín široce používaný pro upcycling a recyklaci baterií).

Obrázek 7: technologický hodnotový řetězec pro baterie.

těšíme se: Budoucnost potenciostatů …

v tomto článku jsme citovali jen několik příkladů mnoha aplikací a příležitostí, které nabízí potenciostat / galvanostaty. Tento elektrochemický multi-nástroj hraje zásadní roli v laboratořích, výzkumných ústavech a R&d centrech po celém světě. Ve všech aplikacích roste potřeba nástrojů s vyšší přesností, vyšší přesností a vyšším výkonem, které budou řídit výzkum potenciostatů a vylepšené SPECIFIKACE potenciostatů. Sensor research je další aplikace, která vyžaduje stále výkonnější analytické nástroje. A kolosální poškození způsobené korozí (zejména mořskou vodou) znamená, že příští generace potenciostatů bude i nadále hrát zásadní roli při minimalizaci poškození infrastruktury prostřednictvím základního výzkumu a výzkumu povlaků a dalších technologií.

pro skladování energie se neustále vyvíjejí nové baterie. Nová generace lithium-iontů nabízí nejvyšší úroveň hustoty energie, která je v současné době k dispozici. Očekává se, že pevné verze chemie Lithium-síry nabídnou vynikající potenciál pro kosmický a letecký průmysl i automobilový průmysl. A konečně, vývoj polovodičových baterií bude vyžadovat stále silnější potenciostaty se zvýšenou funkčností a výkonem. Potenciostat již našel své místo v základním a aplikovaném výzkumu, R& D a průmyslových aplikacích. Ale ještě jsme nezačali vidět plnou hodnotu těchto mimořádných měřicích nástrojů.

pro přehled biologických potenciostatických galvanostatů klikněte zde.

1. aplikační poznámka # 04 „tajemství stability potenciostatu vysvětleno“.
2. a. Hickling, studie polarizace elektrod, Část IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
4. R. Dölling, materiály a koroze, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, Flexibilní elektroanalytický systém řízený počítačem, práce Národního Polytechnického institutu v Grenoblu a univerzity“ Politehnica “ v Bukurešti, 2002.
6. s. Madhu, a. J. Anthuuvan, s. Ramasamy, P. Manickam, s. Bhansali, P. Nagamony, v. Chinnuswamy, ACS Applied Electronic Materials, 2, (2020) 499-509.
7. International measures of prevention, application, and economics of corrosion technologies study, nace International report
8. H-R. Erfanian-Nazif ‚ Toosi, H. F. Lopez: Journal of Materials and Applications, 9(1), (2020) 1-8.
9. T. Liu, Y. Wang, S. Pan, Q. Zhao, C. Zhang, S. Gao, Z. Guo, N. Guo, W. Sand, X. Chang, L. Dong, Y. Yin, Corrosion Science, 149, (2019) 153-163.
10. zpráva o globálním trhu s bateriemi 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

glosář