Hvordan potentiostater fungerer Og deres bruk I Science & Industry (Electrochemistry Basics Series)

Emne 20 min lese

Sist oppdatert: November 12, 2021

rollen til potentiostats, swiss-army kniver av elektrokjemisk forskning, og deres verdi I R&D, kvalitetskontroll og batteritesting blant andre industrielle og vitenskapelige domener er undersøkt i denne artikkelen.

Bak enhver god beslutning i elektrokjemisk forskning ligger et godt potensiostat…

Målings-Og analyseverktøy har lenge vært brukt i industriens og forskningens verdener for å drive innovasjon. I tillegg til å øke vår vitenskapelige og tekniske forståelse, spiller slike verktøy en viktig rolle i å kvantifisere og kvalifisere fenomener umerkelig for menneskelige sanser. Potentiostater er et godt eksempel på slike analytiske enheter og har støttet fremgang innen elektrokjemi i mer enn et århundre.

Potensiostater (noen ganger referert til som elektrokjemiske arbeidsstasjoner eller potensiostater / galvanostater) er viktige måle-og kontrollverktøy som hovedsakelig brukes i elektrokjemisk forskning, så vel som i andre industrielle felt. I elektrokjemi brukes potensiostater både i grunnleggende og anvendt forskning for å få økt forståelse av elektrodeprosesser, analytisk kjemi, batteriforskning og korrosjonsforskning. Sekundære applikasjoner inkluderer kjemisk syntese og biologi. Du vil se en fullstendig liste over disse programmene i denne artikkelen.

Potensiostater har vist seg å være viktige verktøy i utviklingen av sekundære batterier gjennom deres evne til å studere elektrokjemiske grensesnitt. De muliggjør også batteritesting gjennom deres evne til å lade og lade ut et batteri under forhåndsdefinerte forhold.

denne artikkelen vil gi en bred oversikt over potentiostatens rolle i forskning og industri og vil beskrive hvordan de fungerer.

på et øyeblikk: Hva er en potentiostat / galvanostat?

en potentiostat / galvanostat er et instrument som styrer anvendelsen av spenning eller strøm til en elektrokjemisk celleelektrode(detaljert beskrivelse nedenfor). Potentiostat / galvanostat er hovedverktøyet som brukes i elektrokjemiske og elektroanalytiske eksperimenter.

Oversikt: funksjonsmoduser

Potensiostatiske / Galvanostatiske moduser

Potensiostater / galvanostater har to hovedfunksjonsmoduser avhengig av den elektriske mengden som styres-potensialet eller strømmen – Disse kalles potensiostatiske og galvanostatiske modi (Se Figur 1 & 2 nedenfor). Når potentiostat / galvanostat brukes i potensiostatisk modus, kan den refereres til som en potentiostat.

i potensiostatisk modus gjelder potensiostat og styrer potensialet, og måler strømmen som strømmer gjennom det elektrokjemiske systemet (Se Figur 1 nedenfor).

Figur 1: prinsipp for potensiostatisk modus.

med et blikk: Potensiostatisk modus

den potensiostatiske modusen måler og styrer spenningsforskjellen mellom en arbeidselektrode og en referanseelektrode, som har et konstant potensial. Dette, kanskje den mest brukte modusen til en elektrokjemisk arbeidsstasjon, måler strømmen mellom arbeidselektroden og motelektroden (som fullfører cellekretsen).

det er vanlig å bruke en «spenningsrampe» der spenningen påføres trinnvis (en potensiodynamisk teknikk). Syklisk Voltammetri er en rask og enkel teknikk for å oppnå fullstendig oppførsel av et elektrokjemisk system(se Syklisk Voltammetri: hvordan oppnå gode resultater med potentiostat).

teknikkene som oftest brukes i korrosjon og analytisk elektrokjemi er basert rundt potensiostatisk modus.

i galvanostatisk modus utfører det elektrokjemiske instrumentet målingene for potensielle variasjoner mens strømmen påføres og styres (Se Figur 2 nedenfor).

Figur 2: Prinsipp for galvanostatisk modus.

oversikt: Galvanostatisk modus

Galvanostatisk modus er basert på styring av strømmen som strømmer gjennom systemet. Når enheten brukes til disse målingene kalles det en galvanostat. Den vanligste applikasjonen for galvanostatisk modus er forskning på batterier.

Mange moderne elektrokjemiske teknikker er basert på en rekke sekvenser ved hjelp av alternativt potensiostatiske og galvanostatiske moduser. Muligheten til å bytte fra en modus til en annen er en relativt ny utvikling i potentiostat-design, men en som brukes mye i batteritesting der det er behov for å bytte i rask rekkefølge fra potentio til galvano-modus. Slik funksjonalitet krever high-end spesifikasjoner som de som er tilgjengelige På Biologiske potensiostater.

Andre funksjonsmoduser

Potensiostater har også spesifikke kontrollmoduser: ÅPEN Kretsspenning (OCV), Nullmotstandsmåler (ZRA) og Ved Elektrokjemisk Impedansspektroskopi (EIS). Hver av disse kontrollmodusene har et bestemt formål.

OCV kontrollmodus muliggjør innsamling av spenningsdata når cellen er i hvilemodus, dvs. når potensiostat ikke bruker strøm eller spenning til cellens arbeidselektrode. Denne kontrollmodusen brukes ofte til likevekt av den elektrokjemiske cellen.

EIS betegner en sinusformet kontrollmodus. Potentiostat bruker et sinusformet inngangssignal (strøm eller spenning) og måler systemets respons. Denne kontrollmodusen er mye brukt i elektrokjemiske og korrosjonssystemer fordi den gir detaljert informasjon om reaksjonskinetikk, korrosjonshastigheter og masseoverføringsparametere, blant andre. For mer informasjon om elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS), vennligst besøk Læringssenterets artikkel «Hva ER EIS».

zra-kontrollmodusen tillater bestemmelse av elektrokjemisk strømstøy ved å påføre en spenning lik 0 V mellom arbeidselektroden og motelektroden (se beskrivelse av elektroder) og måle strømmen som strømmer mellom de to identiske prøvene. Mer informasjon om elektrokjemiske støymålinger finner du i Søknadsnotat #39-1.#39-2, #39-3

en sømløs kobling mellom potensiostat-grensesnittet (programvare) og potensiostat (maskinvare) gjør det enkelt for brukeren å administrere hver modus.

i neste del av dokumentet vil vi se på nøyaktig hvordan potentiostat fungerer ved å undersøke nøkkelkomponentene og potentiostats arkitektur.

hvordan fungerer potensiostater / galvanostater?

Kontrollere potensialet:tre-elektrodeoppsettet

potentiostat er et instrument dedikert til studiet av elektrokjemiske prosesser. Kontroll av grenseflaten arbeider elektrode potensialet er avgjørende for å garantere at strømmen måles på et konstant potensial. En tre-elektrode oppsett gjør dette mulig.

disse tre elektrodene er kjent som arbeidselektroden, referanseelektroden og motelektroden (også kalt hjelpeelektroden).

arbeidselektroden( VI): reaksjonen av interesse skjer ved grensesnittet til arbeidselektroden. referanseelektroden (RE): potensialet til referanseelektroden er velkjent og stabilt. Det er referansepunktet for systemet for potensiell kontroll og måling. Strømmen gjennom denne elektroden holdes nær null. motelektroden (CE): Strømmen flyter mellom arbeidselektroden og motelektroden. Motelektroden har ingen rolle i elektrokjemiske reaksjoner bortsett fra bestemte situasjoner: battericelle, galvanisk korrosjon, elektrokjemiske støymålinger.

Figur 3: Eksempel på en tre-elektrode oppsett.

nøkkelpotensiostatkomponenter: referanseelektrode og kontrollforsterker

for å garantere at strømmer strømmer som følge av potensielle variasjoner ved arbeidselektrod-grensesnittet, må referanseelektrod-potensialet forbli stabilt og svare til den teoretiske verdien. Det må vedlikeholdes ordentlig. (Se Kontrollere og Validere referanseelektroder).

kontrollforsterkeren (CA) er en viktig elektronisk komponent i potentiostat. Det brukes til å holde spenningen mellom referanseelektroden og arbeidselektroden så nær som mulig for spenningen til inngangskilden $e_ {\mathrm{i}}$. Figur 4 viser posisjonen til kontrollforsterkeren i en forenklet utforming av en moderne potensiostat .

Figur 4: Grunnleggende potensiostatdesign .

potensialet målt ved referanseelektroden blir matet tilbake til den negative inngangen til kontrollforsterkeren. Dette skaper en sløyfe kalt «negativ feedback loop», som gjør at kontrollforsterkeren kan tilpasse sin utgang og opprettholde en potensiell forskjell som tilsvarer $e_ {\mathrm {i}}$. Dette gjør at potentiostat nøyaktig kan kontrollere spenningssignalet og nå riktig settpunktverdi. For mer informasjon, se BioLogic Application Note #04: «the mystery of potentiostat stabilitet forklart».

i neste del av denne artikkelen vil vi beskrive den teknologiske utviklingen av potensiostater over tid, fra deres første oppfinnelse til de aller siste fremskrittene i potensiostatutvikling.

Ser tilbake: potensiostats historie

Den første potensiostatiske metoden ble brukt Av F. G. Cottrell i 1903 som jobbet med verifisering av masseoverføringsligninger. Hans eksperiment besto av en elektrokjemisk celle koblet til et batteri i serie med et galvanometer for måling av en strøm. Men på dette tidspunktet, med en så enkel potensiostat, var det ikke mulig å fastslå potensiell forskjell ved grensesnittet til arbeidselektroden i kretsen.

Hickling, en elektrokjemist ved University Of Leicester utviklet, i 1942, prinsippet om den moderne tre-elektrode potentiostat, som vi nå vet i dag. Hickling antok at elektrolytiske prosesser generelt styres av elektrodepotensialet, som inntil da bare var indirekte kontrollerbar ved å endre temperatur, nåværende tetthet eller elektrodematerialer . Hickling la en tredje elektrode til systemet og utviklet et middel for automatisk å kontrollere potensialet. Det generelle prinsippet bak dette designet var å sammenligne potensiell forskjell mellom arbeidselektroden og referanseelektroden ved hjelp av spenning avledet fra et potensiometer . Dette prinsippet som brukes I Hickling potentiostat er basert på negativ tilbakemeldingsteknologi (se ovenfor).

Den Hickling potentiostat var den første potentiostat å bruke en negativ feedback krets for måling og kontroll av elektrodene spenning. I 1956 brukte elektrokjemisten Prazak ordet potentiostat for å beskrive Hickling elektrokjemiske instrument.

En annen viktig bidragsyter til potentiostat-utviklingen var Hans Wenking som løste mange problemer for elektrokjemikere på slutten av 50-og 60-tallet ved å bidra til utformingen av elektronikk som fortsatt brukes i dagens moderne elektrokjemiske arbeidsstasjoner .

siden 1971 har negativ tilbakemelding blitt oppnådd ved hjelp av en elektronisk komponent, kalt en kontrollforsterker . For å finne ut mer om negative tilbakemeldinger, vennligst besøk BioLogic Learning Center artikkelen » Få mer fra potentiostat. Forstå båndbredde & dens effekt på målinger».

fra 70-tallet og fremover har elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) blitt et viktig verktøy i karakteriseringen av elektrokjemiske systemer. Siden da har potentiostat-teknologien stadig avansert med store forbedringer gjort når det gjelder funksjonalitet, ytelse og presisjon. Et av de mest utfordrende problemene ved utforming av en potensiostat er relatert til det ohmiske dråpefenomenet (se artikkelen «Ohmisk dråpekorrigering: et middel til å forbedre målenøyaktigheten»). Disse allsidige elektrokjemiske instrumentene har utviklet seg fra enkle potensiostater til potensiostater / galvanostater, med to hovedmoduser (se potensiostatiske og galvanostatiske modusdefinisjoner ovenfor).

videre har de blitt langt enklere å bruke og stadig kraftigere. Det første eksemplet på en flerkanals datastyrt potentiostat kunne ses i 1991 med lanseringen Av MacPile. Denne potentiostat ble oppfunnet av to franske forskere, Yves Chabre Og Christian Mouget, og kommersialisert Av Biologisk. MacPile kan betraktes som forløperen til det store utvalget av potentiostat / galvanostater som nå er tilgjengelig på markedet.

Figur 5: verdens første flerkanals datastyrte
potentiostat –Mac-Bunken, lansert i 1991.

prinsippet om negativ tilbakemelding inspirert Av A. Hickling er fortsatt hjørnesteinen i potentiostatdesign. Følgende avsnitt forklarer hvordan moderne potensiostater fungerer.

Applikasjoner: Hvordan brukes potentiostater i akademisk forskning og i industrien

hvor industrielle og vitenskapelige applikasjoner brukes potentiostater?

Potensiostat / Galvanostater ser ut til å være et viktig analyseverktøy både i vitenskapelige og industrielle felt. De er nyttige i et bredt spekter av applikasjoner og domener som energilagring og konvertering, elektrokjemi, materialvitenskap og biovitenskap, for å nevne noen få. Figur 5 nedenfor gir en oversikt, og for mer informasjon, du kan lære om potentiostat bruk ved søknad I Biologisk Læringssenter.

Figur 6: Potentiostater er til stede i et bredt spekter av industrielle og vitenskapelige applikasjoner

Fokus på elektrokjemi og energilagring: to av de store tekno-samfunnsmessige utfordringene der potentiostater fremmer forskning og industri

Potensiostater og sensorer

i de fleste elektrokjemiske applikasjoner bidrar potensiostat / galvanostater betydelig til økt forståelse, forskning og utvikling av elektrokjemiske systemer.

fordi potentiostater tillater observasjon av redoksreaksjoner, er potentiostat det tradisjonelle verktøyet for laboratorier som spesialiserer seg på analytisk elektrokjemi. FOR EKSEMPEL KAN vmp-300 potensiostater brukes til å karakterisere arter eller elektrokjemiske prosesser ved hjelp av den sykliske voltammetriteknikken Til Biologisk programvare EC-Lab®.

på Samme måte har syklisk voltammetri og andre elektrokjemiske målinger (differensiell pulsvoltammetri og elektrokjemisk impedansspektroskopi) blitt brukt med enkanals potensiostater som Den Biologiske SP-50 for å studere de elektroanalytiske egenskapene til et stoff immunosensor. Disse bærbare sensorene overvåker konsentrasjonen av kortisol i menneskelig svette ikke-invasivt og i sanntid. Kortisolnivået i menneskekroppen er en verdifull kilde til informasjon siden en høy konsentrasjon av kortisol kan advare om tilstedeværelsen av en svulst .

Potensiostater Og Korrosjon

Korrosjon er også et hovedfokus innen elektrokjemi og et område hvor potensiostater spiller en viktig rolle. Den globale kostnaden for korrosjon er estimert til $ 2.5 billioner med korrosjonskontroll som har potensial til å spare 375-875 milliarder dollar årlig (en svimlende 3.4% av global BNP i 2013). Se Vårt Læringssenter artikkel Coatings, Corrosion Og Scanning Probe Electrochemistry. Korrosjon kan ha en ødeleggende effekt på infrastruktur, produksjon/produksjon og transport blant mange andre aktiviteter som er avhengig av integriteten til metallet som brukes. Elektrokjemiske arbeidsstasjoner (potensiostater) brukes generelt elektrokjemi for å bedre forstå de grunnleggende elektrokjemiske prosessene som fører til nedbrytning av metall i reaksjon med oksidanter som oksygen eller sulfater.

Potensiostater brukes også i materialvitenskap for å bidra til å utvikle belegg og forhindre korrosjon. De er svært nyttige for slike analyser fordi de tillater studier av korrosjonshastigheter. For eksempel kan materialegenskaper og strukturer på materialets korrosjonsegenskaper studeres . I tillegg til potensiostater brukes scanning probe arbeidsstasjoner for å bedre forstå lokale elektrokjemiske prosesser som oppstår under korrosjon. Scanning probe arbeidsstasjoner gir en «mikro» visning av korrosjon, i motsetning til» makro «visning oppnådd med potentiostats (for mer informasjon, se artikkelen «Belegg, Korrosjon Og Scanning Probe Electrochemistry»). Et eksempel på scanning probe arbeidsstasjoner som brukes i korrosjonsstudier er analysen av impedans homogenitetsfordelingen av et materiale takket VÆRE LEIS (Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy) teknikk. Denne scanning probe elektrokjemi teknikk gir detaljert informasjon om korrosjonsmotstanden i systemet .

energilagring og batterier: Potensiostatbruk på alle nivåer i batteriverdikjeden

fremskrittene i batteriforskning i det siste tiåret er intet mindre enn svimlende. I 2010 kom litium-ion-batteriet i forgrunnen med den eksponentielle veksten i telekommunikasjonsindustrien og markedspenetrasjon av mobiltelefonen. En periode med rask teknologisk utvikling betyr at vi nå ser litium-ion-batterier som driver stort sett alt vi ser i vår moderne verden-til og med biler. Klimaendringer betyr At damocles sverd henger over mye av den utviklede verden med bortfallet av fossile brensler og et viktig behov for å finne erstatnings energikilder. For dette formål er energilagring avgjørende for en vellykket utvikling av alternative energistrategier – og i dette øyeblikk ser batterier ut til å være den mest effektive teknologien som er i stand til å utnytte kraften til sol, sjø og vind. Det er derfor ikke vanskelig å forstå hvorfor batterimarkedet er så viktig. Faktisk er det globale batterimarkedet et område med høy vekst og forventes å nå $279.7 Milliarder innen 2027 .

Potensiostater er så viktige i forskning fordi de tillater brukeren å karakterisere hver del av en battericelle, men også stresse cellen i sin endelige design for å karakterisere ytelsen, gjennom den gjentatte prosessen med ladning/utladning, kjent som batterisykling. Etter hvert som batteriets ytelse blir stadig viktigere, blir potensiostatkvalitet og systemets evne til å føre til passende data av interesse også kritisk.

rollen til batteriet cycler

Potentiostats har funnet favør i en rekke industrielle felt, hovedsakelig takket være spredning av batterier på tvers av en rekke felt, men spesielt bil-og telekommunikasjonsindustrien. Med veksten i det sekundære (oppladbare) batterimarkedet har det oppstått et behov for et nytt elektrokjemisk måleinstrument-batterisykleren. Batterisyklere deler mange av egenskapene til potentiostat, men dette elektrokjemiske måleverktøyet brukes til å svare på to primære behov. Produsenter bruker batterisyklere for å kontrollere kvaliteten på batteriene de produserer. Store industriorganisasjoner kjøper disse batteriene og integrerer dem deretter i sine produkter. Batterisyklere brukes deretter av industrien til å velge og kvalifisere batterier. Ofte involverer disse testene batterisykling for å kvantifisere deres kapasitet.

i løpet av levetiden kan batteriet knyttes til et batteristyringssystem (bms) som tilpasser batteribruk i forhold til Ladetilstand eller Helsetilstand (se Vår Læringssenterartikkel: «Batteristatus: State Of Charge (SoC), Helsetilstand (SoH)»). Etter den første bruken kan den interne motstanden til batteriet (hvis evolusjon er relatert til aldringsprosessen) kvantifiseres ved Hjelp Av Elektrokjemisk Impedansspektroskopi (EIS) for å bestemme neste trinn for å styre batterilevetiden («second life» er et begrep som er mye brukt for oppcycling og resirkulering av batterier).

Figur 7: teknologiens verdikjede for batterier.

Ser frem: Fremtiden for potentiostats…

i denne artikkelen har vi sitert, men noen få eksempler på de mange applikasjonene og mulighetene som tilbys av potentiostat / galvanostats. Dette elektrokjemiske multiverktøyet spiller en viktig rolle i laboratorier, forskningsinstitutter Og r&D-sentre over hele verden. I alle applikasjoner er det et økende behov for høyere nøyaktighet, høyere presisjon, høyere ytelse instrumenter som vil drive potensiostatforskning og forbedrede potensiostatspesifikasjoner. Sensorforskning er et annet program som krever stadig mer effektive analyseverktøy. Og den kolossale skaden forårsaket av korrosjon (spesielt sjøvann) betyr at neste generasjon potensiostater vil fortsette å spille en viktig rolle i å minimere skade på infrastruktur gjennom grunnleggende forskning og forskning på belegg og annen teknologi.

for energilagring er nye batterikjemikalier i stadig utvikling. Ny generasjon litium-ion tilbyr det høyeste nivået av energitetthet som er tilgjengelig for øyeblikket. Solid-state versjoner Av Litium-svovel kjemi forventes å tilby utmerket potensial for plass og luftfart sektorer samt bilindustrien. Til slutt vil utviklingen av solid state-batterier kreve stadig kraftigere potensiostater med økt funksjonalitet og ytelse. Potentiostat har allerede funnet sin plass i grunnleggende og anvendt forskning, R& D Og industrielle applikasjoner. Men vi har ennå ikke begynt å se den fulle verdien av disse ekstraordinære måleverktøyene.

for en oversikt Over Biologiske potensiostatgalvanostater, vennligst klikk her.

1. Søknad Notat #04 «mysteriet av potensiostat stabilitet forklart».
2. A. Hickling, Studier i elektrodepolarisering, Del IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
4. Råö, Materialer og Korrosjon, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, Fleksibelt elektroanalytisk system styrt av datamaskin, Avhandling Av National Polytechnic Institute Of Grenoble og Universitetet «Politehnica» I Bucuresti, 2002.
6. S. Madhu, Aj Anthuuvan, S. Ramasamy, P. Manickam, S. Bhansali, P. Nagamony, V. Chinnuswamy, ACS Anvendt Elektronisk Materiale, 2, (2020)499-509.
7. Internasjonale tiltak for forebygging, anvendelse og økonomi av korrosjonsteknologi studie, Nace International report
8. H-R. Erfanian-Nazif ‘ Toosi, Hf 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, Korrosjon Vitenskap, 149, (2019)153-163.
10. Global Rapport Om Batterimarkedet 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

ORDLISTE