Sådan fungerer potentiostater og deres anvendelse i videnskab og industri (Elektrokemi Basics Series)

emne 20 min læst

Senest opdateret: 12. November 2021

potentiostaternes rolle, de Svejts-hærknive inden for elektrokemisk forskning og deres værdi i R & D, kvalitetskontrol og batteritest blandt andre industrielle og videnskabelige domæner undersøges i denne artikel.

bag enhver god beslutning inden for elektrokemisk forskning ligger en god potentiostat…

måle-og analyseværktøjer har længe været brugt i industriens og forskningens verdener til at drive innovation. Ud over at øge vores videnskabelige og tekniske forståelse spiller sådanne værktøjer en afgørende rolle i kvantificering og kvalificering af fænomener, der er umærkelige for menneskelige sanser. Potentiostater er et godt eksempel på sådanne analytiske enheder og har støttet fremskridt inden for elektrokemi i mere end et århundrede.

Potentiostater (undertiden benævnt elektrokemiske arbejdsstationer eller potentiostater / galvanostater) er vigtige måle-og kontrolværktøjer, der primært anvendes inden for elektrokemisk forskning såvel som inden for andre industrielle områder. I elektrokemi anvendes potentiostater både i grundlæggende og anvendt forskning for at få en øget forståelse af elektrodeprocesser, analytisk kemi, batteriforskning og korrosionsforskning. Sekundære anvendelser omfatter kemisk syntese og biologi. Du vil se en komplet liste over disse applikationer i denne artikel.

Potentiostater har vist sig at være vigtige værktøjer i udviklingen af sekundære batterier gennem deres evne til at studere elektrokemiske grænseflader. De muliggør også batteritest gennem deres evne til at oplade og aflade et batteri under foruddefinerede forhold.

denne artikel vil give et bredt overblik over potentiostatens rolle i forskning og industri og vil beskrive, hvordan de fungerer.

et overblik: hvad er en potentiostat / galvanostat?

en potentiostat / galvanostat er et instrument, der styrer anvendelsen af spænding eller strøm til en elektrokemisk celleelektrode (detaljeret beskrivelse nedenfor). Potentiostat / galvanostat er det vigtigste værktøj, der anvendes i elektrokemiske og elektroanalytiske eksperimenter.

oversigt: funktionstilstande

Potentiostatiske / Galvanostatiske tilstande

Potentiostater / galvanostater har to hovedfunktionstilstande afhængigt af den elektriske mængde, der styres – potentialet eller strømmen. Disse kaldes de potentiostatiske og galvanostatiske tilstande (se figur 1 & 2 nedenfor). Når potentiostat / galvanostat anvendes i potentiostatisk tilstand, kan det betegnes som en potentiostat.

i potentiostatisk tilstand anvender og styrer potentiostaten potentialet og måler strømmen, der strømmer gennem det elektrokemiske system (se figur 1 nedenfor).

Figur 1: princippet om potentiostatisk tilstand.

et overblik: Potentiostatisk tilstand

den potentiostatiske tilstand måler og styrer spændingsforskellen mellem en arbejdselektrode og en referenceelektrode, som har et konstant potentiale. Dette, måske den mest anvendte tilstand af en elektrokemisk arbejdsstation, måler strømmen mellem arbejdselektroden og modelektroden (der fuldender cellekredsløbet).

det er almindeligt at anvende en “spændingsrampe”, hvor spænding påføres trinvist (en potentiodynamisk teknik), hvor den mest populære er cyklisk Voltammetri (CV). Cyklisk Voltammetri er en hurtig og nem teknik til at opnå den komplette opførsel af et elektrokemisk system (se cyklisk Voltammetri: Sådan opnås gode resultater med din potentiostat).

de teknikker, der oftest anvendes i korrosion og analytisk elektrokemi, er baseret på den potentiostatiske tilstand.

i galvanostatisk tilstand udfører det elektrokemiske instrument målingerne for potentielle variationer, mens strømmen påføres og styres (se figur 2 nedenfor).

figur 2: princippet om galvanostatisk tilstand.

et overblik: Galvanostatisk tilstand

Galvanostatisk tilstand er baseret på styring af strøm, der strømmer gennem systemet. Når enheden bruges til disse målinger kaldes det en galvanostat. Den mest almindelige anvendelse til galvanostatisk tilstand er forskning i batterier.

masser af moderne elektrokemiske teknikker er baseret på en række sekvenser ved hjælp af alternativt potentiostatiske og galvanostatiske tilstande. Evnen til at skifte fra en tilstand til en anden er en relativt ny udvikling inden for potentiostatdesign, men en, der bruges i vid udstrækning i batteritest, hvor der er behov for at skifte hurtigt efter hinanden fra potentio til galvano-tilstand. En sådan funktionalitet kræver avancerede specifikationer som dem, der er tilgængelige på biologiske potentiostater.

andre funktionstilstande

Potentiostater har også specifikke kontroltilstande: åben kredsløbsspænding (OCV), Nulmodstandsammeter (fra) og ved elektrokemisk Impedansspektroskopi (EIS). Hver af disse kontroltilstande har et specifikt formål.

OCV-kontroltilstand muliggør erhvervelse af spændingsdata, når cellen er i hviletilstand, dvs.når potentiostaten ikke anvender nogen strøm eller spænding på cellens arbejdselektrode. Denne kontroltilstand bruges almindeligvis til ækvilibrering af den elektrokemiske celle.

EIS betegner en sinusformet kontroltilstand. Potentiostaten anvender et sinusformet indgangssignal (strøm eller spænding) og måler systemets respons. Denne kontroltilstand bruges i vid udstrækning i elektrokemiske systemer og korrosionssystemer, fordi den giver detaljerede oplysninger om reaktionskinetik, korrosionshastigheder og masseoverførselsparametre, blandt andre. For mere information om elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS), besøg venligst Læringscenterartiklen “hvad er EIS”.

reguleringsfunktionen tillader bestemmelse af elektrokemisk strømstøj ved at anvende en spænding svarende til 0 V mellem arbejdselektroden og modelektroden (se beskrivelse af elektroder) og måle strømmen mellem de to identiske prøver. Mere information om de elektrokemiske støjmålinger findes i Ansøgningsnote #39-1.#39-2, #39-3

en problemfri forbindelse mellem potentiostat interface og potentiostat gør det nemt for brugeren at styre hver tilstand.

i den næste del af dokumentet vil vi se på nøjagtigt, hvordan potentiostaten fungerer ved at undersøge nøglekomponenterne og potentiostatens arkitektur.

hvordan fungerer potentiostater / galvanostater?

styring af potentialet: tre-elektrodeopsætningen

potentiostaten er et instrument dedikeret til studiet af elektrokemiske processer. Styringen af grænsefladens arbejdselektrodepotentiale er afgørende for at sikre, at strømmen måles med et konstant potentiale. En tre-elektrode opsætning gør dette muligt.

disse tre elektroder er kendt som arbejdselektroden, referenceelektroden og modelektroden (også kaldet hjælpeelektroden).

arbejdselektroden (vi): reaktionen af interesse forekommer ved grænsefladen af arbejdselektroden. referenceelektroden (RE): referenceelektrodens potentiale er velkendt og stabilt. Det er referencepunktet for systemet til potentiel kontrol og måling. Strømmen gennem denne elektrode holdes tæt på nul. modelektroden (CE): Strømmen strømmer mellem arbejdselektroden og modelektroden. Modelektroden har ingen rolle i elektrokemiske reaktioner bortset fra specifikke situationer: battericelle, galvanisk korrosion, elektrokemiske støjmålinger.

figur 3: eksempel på en tre-elektrode opsætning.

centrale potentiostat komponenter: referenceelektrode og styreforstærker

for at sikre, at strømme strømmer som et resultat af potentielle variationer ved arbejdselektrodegrænsefladen, skal referenceelektrodens potentiale forblive stabilt og svare til dets teoretiske værdi. Det skal vedligeholdes korrekt. (se kontrol og validering af referenceelektroder).

kontrolforstærkeren (CA) er en nøgle elektronisk komponent i potentiostaten. Det bruges til at holde spændingen mellem referenceelektroden og arbejdselektroden så tæt som muligt på spændingen fra indgangskilden $E_{\mathrm{i}}$. Figur 4 viser styreforstærkerens position i et forenklet design af en moderne potentiostat .

figur 4: grundlæggende potentiostatdesign .

potentialet målt ved referenceelektroden føres tilbage til kontrolforstærkerens negative indgang. Dette skaber en løkke kaldet “negativ feedback loop”, som gør det muligt for kontrolforstærkeren at tilpasse sin output og opretholde en potentiel forskel svarende til $E_{\mathrm{i}}$. Dette gør det muligt for potentiostaten nøjagtigt at styre spændingssignalet og nå den rigtige setpoint-værdi. For mere information, se biologisk ansøgning Note #04: “mysteriet om potentiostat stabilitet forklaret”.

i den næste del af denne artikel vil vi beskrive den teknologiske udvikling af potentiostater over tid, fra deres oprindelige opfindelse til de nyeste fremskridt inden for potentiostatudvikling.

ser tilbage: historien om potentiostater

den første potentiostatiske metode blev brugt af F. G. Cottrell i 1903, der arbejdede på verifikation af masseoverførselsligninger. Hans eksperiment bestod af en elektrokemisk celle forbundet til et batteri i serie med et galvanometer til måling af en strøm. På dette tidspunkt var det imidlertid ikke muligt med en så simpel potentiostat at fastslå den potentielle forskel ved grænsefladen af arbejdselektroden i kredsløbet.

Hickling, en elektrokemiker ved University of Leicester udviklede i 1942 princippet om den moderne tre-elektrode potentiostat, som vi nu kender i dag. Hickling antog, at elektrolytiske processer generelt styres af elektrodepotentialet, som indtil da kun var indirekte kontrollerbar ved at ændre temperatur, strømtæthed eller elektrodematerialer . Hickling tilføjede en tredje elektrode til systemet og udviklede et middel til automatisk at kontrollere potentialet. Det generelle princip bag dette design var at sammenligne den potentielle forskel mellem arbejdselektroden og referenceelektroden ved hjælp af spænding afledt af et potentiometer . Dette princip, der anvendes i Hickling potentiostat, er baseret på negativ feedback-Teknologi (Se ovenfor).

Hickling potentiostat var den første potentiostat, der brugte et negativt feedbackkredsløb til måling og styring af elektrodernes spænding. I 1956 brugte elektrokemikeren prasak ordet potentiostat til at beskrive hicklings elektrokemiske instrument.

en anden vigtig bidragyder til potentiostatudvikling var Hans, der løste mange problemer for elektrokemister i slutningen af 50 ‘erne og 60’ erne ved at bidrage til designet af elektronik, der stadig bruges i de moderne elektrokemiske arbejdsstationer i dag .

siden 1971 er negativ feedback opnået ved hjælp af en elektronisk komponent, kaldet en kontrolforstærker . For at finde ud af mere om negativ feedback, kan du besøge BioLogic Learning Center artiklen “få mere fra din potentiostat. Forståelse båndbredde & dens virkning på målinger”.

fra 70 ‘ erne og fremefter er elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) blevet et vigtigt redskab i karakteriseringen af elektrokemiske systemer. Siden da har potentiostat-teknologien konstant avanceret med enorme forbedringer med hensyn til funktionalitet, ydeevne og præcision. Et af de mest udfordrende problemer, når man designer en potentiostat, vedrører ohmic drop-fænomenet (Se artikel “Ohmic drop correction: et middel til at forbedre målenøjagtigheden”). Disse alsidige elektrokemiske instrumenter har udviklet sig fra enkle potentiostater til potentiostater / galvanostater med to hovedformer (se definitioner af potentiostatisk og galvanostatisk tilstand ovenfor).

desuden er de blevet langt lettere at bruge og stadig mere magtfulde. Det første eksempel på en multikanals computerstyret potentiostat kunne ses i 1991 med lanceringen af MacPile. Denne potentiostat blev opfundet af to franske forskere, Yves Chabre og Christian Mouget, og kommercialiseret af biologisk. Macpilen kan betragtes som forløberen for det store udvalg af potentiostat / galvanostater, der nu er tilgængelige på markedet.

figur 5: verdens første multikanals computerstyrede
potentiostat-Mac –bunken, lanceret i 1991.

princippet om negativ feedback inspireret af A. Hickling forbliver i dag hjørnestenen i potentiostat design. Følgende afsnit forklarer, hvordan moderne potentiostater fungerer.

applikationer: Hvordan anvendes potentiostater i akademisk forskning og i industrien

hvor Industrielle og videnskabelige anvendelser anvendes potentiostater?

Potentiostat / Galvanostater ser ud til at være et vigtigt analyseværktøj inden for videnskabelige såvel som industrielle områder. De er nyttige i en bred vifte af applikationer og domæner som energilagring og konvertering, elektrokemi, materialevidenskab og biovidenskab, for blot at nævne nogle få. Figur 5 nedenfor giver et overblik, og for mere information, du kan lære om potentiostat brug ved anvendelse i biologisk læringscenter.

figur 6: Potentiostater er til stede i en bred vifte af industrielle og videnskabelige applikationer

fokus på elektrokemi og energilagring: to af de største techno-samfundsmæssige udfordringer, hvor potentiostater fremmer forskning og industri

Potentiostater og sensorer

i de fleste elektrokemiske applikationer bidrager potentiostat / galvanostater betydeligt til øget forståelse, forskning og udvikling af elektrokemiske systemer.

da potentiostater tillader observation af redoksreaktioner, er potentiostaten det traditionelle valgte værktøj til laboratorier med speciale i analytisk elektrokemi. For eksempel kan VMP-300 potentiostater bruges til at karakterisere arter eller elektrokemiske processer ved hjælp af cyklisk voltammetri teknik af biologisk programmel EC-Lab Krot.

tilsvarende er cyklisk voltammetri og andre elektrokemiske målinger (differentialpuls voltammetri og elektrokemisk impedansspektroskopi) blevet anvendt med enkeltkanalpotentiostater såsom biologisk SP-50 at studere de elektroanalytiske egenskaber af en stofimmunosensor. Disse bærbare sensorer overvåger koncentrationen af cortisol i menneskelig sved ikke-invasivt og i realtid. Cortisolniveauet i den menneskelige krop er en værdifuld informationskilde, da en høj koncentration af cortisol kan advare om tilstedeværelsen af en tumor .

Potentiostater og korrosion

korrosion er også et stort fokus inden for elektrokemi og et område, hvor potentiostater spiller en afgørende rolle. De globale omkostninger ved korrosion anslås til $ 2.5 billioner med korrosionskontrol, der har potentialet til at spare 375-875 milliarder dollars årligt (en svimlende 3.4% af det globale BNP i 2013). Se vores læringscenter artikel belægninger, korrosion og Scanning Probe Elektrokemi. Korrosion kan have en ødelæggende virkning på infrastruktur, produktion/fremstilling og transport blandt mange andre aktiviteter, der er afhængige af integriteten af det anvendte metal. Elektrokemiske arbejdsstationer (potentiostater) bruges generelt elektrokemi for bedre at forstå de grundlæggende elektrokemiske processer, der fører til nedbrydning af metal som reaktion med iltningsmidler såsom ilt eller sulfater.

Potentiostater bruges også i materialevidenskab til at hjælpe med at udvikle belægninger og forhindre korrosion. De er meget nyttige til sådanne analyser, fordi de tillader undersøgelse af korrosionshastigheder. For eksempel kan materialegenskaber og strukturer på materialets korrosionsegenskaber undersøges . Ud over potentiostater bruges scanningssonde-arbejdsstationer til bedre at forstå lokale elektrokemiske processer, der forekommer under korrosion. Scanningssonde-arbejdsstationer giver et” mikro “- billede af korrosion i modsætning til” makro “- visningen opnået med potentiostater (for mere information, se artiklen”Coatings, Corrosion and scan Probe Electrochemistry”). Et eksempel på scanning probe arbejdsstationer brug i korrosion undersøgelser er analysen af impedans homogenitet fordeling af et materiale takket være LEIS (lokaliseret elektrokemisk impedans spektroskopi) teknik. Denne scanning probe elektrokemi teknik giver detaljerede oplysninger om korrosionsbestandighed af systemet .

energilagring og batterier: Potentiostat-brug på alle niveauer i batteriværdikæden

fremskridtene inden for batteriforskning i det sidste årti er intet mindre end svimlende. I 2010 kom lithium-ion-batteriet frem med den eksponentielle vækst i telekommunikationsindustrien og mobiltelefonens markedsindtrængning. En periode med hurtig teknologisk udvikling betyder, at vi nu ser lithium-ion – batterier drive stort set alt, hvad vi ser i vores moderne verden-selv biler. Klimaændringer betyder, at Damocles sværd hænger over store dele af den udviklede verden med bortfaldet af fossile brændstoffer og et vigtigt behov for at finde erstatningskilder. Til dette formål er energilagring afgørende for en vellykket udvikling af alternative energistrategier – og i øjeblikket ser batterier sandsynligvis ud til at være den mest effektive teknologi, der er i stand til at udnytte solens, havets og vindens kraft. Det er derfor ikke svært at forstå, hvorfor batterimarkedet er så vigtigt. Faktisk er det globale batterimarked et område med høj vækst og forventes at nå 279, 7 milliarder dollars i 2027 .

Potentiostater er så vigtige i forskningen, fordi de giver brugeren mulighed for at karakterisere hver del af en battericelle, men også stresse cellen i sit endelige design for at karakterisere dens ydeevne gennem den gentagne proces med opladning/afladning, kendt som battericykling. Efterhånden som batteriets ydeevne bliver stadig vigtigere, bliver potentiostatkvalitet og systemets evne til at føre til passende data af interesse også kritisk.

battericyclerens rolle

Potentiostater har fundet fordel inden for en række industrielle områder, hovedsageligt takket være spredning af batterier på tværs af en lang række felter, men især bil-og telekommunikationsindustrier. Med væksten på det sekundære (genopladelige) batterimarked er der opstået et behov for et nyt elektrokemisk måleinstrument – battericykleren. Battericyklere deler mange af potentiostatens egenskaber, men dette elektrokemiske måleværktøj bruges til at besvare to primære behov. Producenter bruger battericykler til at kontrollere kvaliteten af de batterier, de producerer. Store industrielle organisationer køber disse batterier og integrerer dem derefter i deres produkter. Battericykler bruges derefter af industrien til at vælge og kvalificere batterier. Ofte involverer disse tests battericykling for at kvantificere deres kapacitet.

i løbet af dets levetid kan batteriet være forbundet med et batteristyringssystem (BMS), der tilpasser batteriforbruget i forhold til dets opladningstilstand eller sundhedstilstand (se vores Læringscenterartikel: “Batteristater: Ladestatus (SoC), sundhedstilstand (SoH)”). Efter dets første brug kan batteriets interne modstand (hvis udvikling er relateret til aldringsprocessen) kvantificeres ved hjælp af elektrokemisk Impedansspektroskopi (EIS) for at bestemme det næste trin til styring af batteriets levetid (“second life” er et udtryk, der i vid udstrækning bruges til upcycling og genbrug af batterier).

Figur 7: teknologiværdikæden for batterier.

ser frem: Fremtiden for potentiostater …

i denne artikel har vi kun Citeret et par eksempler på de mange applikationer og muligheder, som potentiostat / galvanostater tilbyder. Dette elektrokemiske Multiværktøj spiller en afgørende rolle i laboratorier, forskningsinstitutter og R&D-centre over hele kloden. I alle applikationer er der et stigende behov for instrumenter med højere nøjagtighed, højere præcision, højere ydeevne, der vil drive potentiostatforskning og forbedrede potentiostatspecifikationer. Sensor research er en anden applikation, der kræver stadig mere effektive analytiske værktøjer. Og den kolossale skade forårsaget af korrosion (især havvand) betyder, at den næste generation af potentiostater fortsat vil spille en afgørende rolle for at minimere skader på infrastruktur gennem grundlæggende forskning og forskning i belægninger og andre teknologier.

til energilagring udvikler nye batterikemikalier sig konstant. Ny generation af lithium-ion tilbyder det højeste niveau af energitæthed, der i øjeblikket er tilgængelig. Solid-state versioner af Lithium-svovl Kemi forventes at tilbyde fremragende potentiale for rum-og luftfartssektorer samt bilindustrien. Endelig vil udviklingen af solid state-batterier kræve stadig mere kraftfulde potentiostater med øget funktionalitet og ydeevne. Potentiostaten har allerede fundet sin plads i grundlæggende og anvendt forskning, R&D, og industrielle applikationer. Men vi er endnu ikke begyndt at se den fulde værdi af disse ekstraordinære måleværktøjer.

for en oversigt over biologiske potentiostat galvanostater, Klik her.

1. ansøgning Note #04 “mysteriet om potentiostat stabilitet forklaret”.
2. A. Hickling, undersøgelser i elektrodepolarisering, del IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Bind 5, (1961) 161-168.
4. R. D-polering, materialer og korrosion, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, fleksibelt elektroanalytisk system styret af computer, Afhandling fra National Polytechnic Institute of Grenoble og Universitetet “Politehnica” i Bukarest, 2002.
6. S. Madhu, A. J. Anthuuvan, S. Ramasamy, P. Manickam, S. Bhansali, P. Nagamony, V. Chinnusvamy, ACS anvendte elektroniske materialer, 2, (2020) 499-509.
7. internationale foranstaltninger til forebyggelse, anvendelse og økonomi af korrosionsteknologier undersøgelse, nace International report
8. H-R. Erfanian, H. F. Lopes: Tidsskrift for materialer og applikationer, 9(1), (2020) 1-8.
9. T. Liu, Y. Vang, S. Pan, S. Yao, S. Gao, S. Guo, N. Guo, Sand, Chang, L. Dong, Y. Yin, Korrosion Videnskab, 149, (2019) 153-163.
10. Global Batterimarkedsrapport 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

ordliste