Como potentiostats trabalho e o seu uso em Ciência e Indústria (Eletroquímica Noções básicas Série)

Tópico 20 min de leitura

Última atualização: 12 de novembro de 2021

O papel da potentiostats, o suíço-exército facas de eletroquímica de investigação, e o seu valor em R&D, controle de qualidade, e testes de bateria, entre outras industrial e domínios científicos é analisada neste artigo.

por trás de cada boa decisão na pesquisa eletroquímica, encontra-se um bom potenciostato…

Ferramentas De Medição e Análise têm sido usadas há muito tempo nos mundos da indústria e da pesquisa para impulsionar a inovação. Além de aumentar nossa compreensão científica e técnica, essas ferramentas desempenham um papel vital na quantificação e qualificação de fenômenos imperceptíveis aos sentidos humanos. Os potenciostatos são um grande exemplo de tais dispositivos analíticos e apoiam o progresso no campo da eletroquímica há mais de um século.

os Potenciostatos (às vezes chamados de estações de trabalho eletroquímicas ou potenciostatos / galvanostatos) são ferramentas vitais de medição e controle usadas principalmente em pesquisas eletroquímicas, bem como em outros campos industriais. Na eletroquímica, os potenciostatos são usados tanto na pesquisa fundamental quanto na aplicada para obter uma maior compreensão dos processos de eletrodos, química analítica, pesquisa de baterias e pesquisa de corrosão. As aplicações secundárias incluem síntese química e biologia. Você verá uma lista completa desses aplicativos neste artigo.

os Potenciostatos provaram ser as principais ferramentas no desenvolvimento de baterias secundárias por meio de sua capacidade de estudar interfaces eletroquímicas. Eles também permitem o teste da bateria por meio de sua capacidade de carregar e descarregar uma bateria em condições pré-definidas.

este artigo dará uma ampla visão geral do papel do potenciostato na pesquisa e na indústria e descreverá como eles funcionam.

de relance: o que é um potenciostato / galvanostato?

um potenciostato / galvanostato é um instrumento que gerencia a aplicação de tensão ou corrente a um eletrodo de célula eletroquímica (descrição detalhada abaixo). O potentiostat / galvanostat é a principal ferramenta utilizada em experimentos eletroquímicos e eletroanalíticos.

visão geral: modos de função

modos Potenciostáticos / Galvanostáticos

os Potenciostatos / galvanostatos têm dois modos de função principais, dependendo da quantidade elétrica que está sendo controlada – o potencial ou a corrente. Estes são chamados de modos potenciostáticos e galvanostáticos (veja as figuras 1 & 2 abaixo). Quando o potentiostat / galvanostat é usado no modo potentiostatic, pode ser referido como um potentiostat.

no modo potenciostático, o potenciostato aplica e controla o potencial e mede a corrente que flui através do sistema eletroquímico (veja a Figura 1 abaixo).

Figura 1: Princípio do modo potenciostático.

em resumo: Modo potenciostático

o modo potenciostático mede e controla a diferença de tensão entre um eletrodo de trabalho e um eletrodo de referência, que tem um potencial constante. Este, talvez o modo mais comumente usado de uma estação de trabalho eletroquímica, mede o fluxo de corrente entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo contador (que completa o circuito celular).

é comum aplicar uma “rampa de tensão” onde a tensão é aplicada incrementalmente (uma técnica potenciodinâmica) sendo a mais popular a voltametria cíclica (CV). Voltametria cíclica é uma técnica rápida e fácil para obter o comportamento completo de um sistema eletroquímico (veja voltametria cíclica: como obter ótimos resultados com seu potenciostato).

as técnicas mais utilizadas na corrosão e eletroquímica analítica são baseadas em torno do modo potenciostático.

no modo galvanostático, o instrumento eletroquímico realiza as medições para variações potenciais enquanto a corrente é aplicada e controlada (veja a Figura 2 abaixo).

Figura 2: princípio do modo galvanostático.

em resumo: o modo Galvanostático

o modo Galvanostático é baseado no controle da corrente que flui através do sistema. Quando o dispositivo é usado para essas medições, é chamado de galvanostato. A aplicação mais comum para o modo galvanostático é a pesquisa em baterias.

muitas técnicas eletroquímicas modernas são baseadas em uma sucessão de sequências usando modos alternativamente potenciostáticos e galvanostáticos. A capacidade de mudar de um modo para outro é um desenvolvimento relativamente recente no projeto potentiostat, mas que é usado extensivamente em testes de bateria, onde há uma necessidade de mudar em rápida sucessão do modo potentio para o modo galvano. Essa funcionalidade requer especificações de ponta, como as disponíveis em potenciostatos biológicos.

outros modos de função

os Potenciostatos também possuem modos de controle específicos: a tensão de circuito aberto (OCV), o amperímetro de resistência Zero (ZRA) e pela espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Cada um desses modos de controle tem um propósito específico.

o modo de controle OCV permite a aquisição de dados de tensão quando a célula está em estado de repouso, ou seja, quando o potenciostato não está aplicando nenhuma corrente ou tensão ao eletrodo de trabalho da célula. Este modo de controle é comumente usado para o equilíbrio da célula eletroquímica.

EIS designa um modo de controle sinusoidal. O potenciostato aplica um sinal de entrada sinusoidal (corrente ou tensão) e mede a resposta do sistema. Esse modo de controle é amplamente utilizado em sistemas eletroquímicos e de corrosão, pois fornece informações detalhadas sobre cinética de reação, taxas de corrosão e parâmetros de transferência de massa, entre outros. Para obter mais informações sobre espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), visite o artigo do centro de aprendizagem “O que é EIS”.

o modo de controle ZRA permite a determinação do ruído da corrente eletroquímica aplicando uma tensão igual a 0 V entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo contador (consulte a descrição dos eletrodos) e medindo a corrente que flui entre as duas amostras idênticas. Mais informações sobre as medições de ruído eletroquímico podem ser encontradas na nota de Aplicação #39-1.#39-2, #39-3

uma ligação perfeita entre a interface potentiostat (software) e o potentiostat (hardware) torna mais fácil para o usuário gerenciar cada modo.

na próxima parte do documento, veremos exatamente como o potentiostat funciona examinando os componentes-chave e a arquitetura do potentiostat.

como funcionam os potenciostatos / galvanostatos?

controlando o potencial: a configuração de três eletrodos

o potenciostato é um instrumento dedicado ao estudo de processos eletroquímicos. O controle do potencial do eletrodo de trabalho interfacial é crucial para garantir que a corrente seja medida em um potencial constante. Uma configuração de três eletrodos torna isso possível.

esses três eletrodos são conhecidos como eletrodo de trabalho, eletrodo de referência e contra-eletrodo (também chamado de eletrodo auxiliar).

O eletrodo de trabalho (NÓS): A reação de interesse ocorre na interface do eletrodo de trabalho. o eletrodo de referência (RE): o potencial do eletrodo de referência é bem conhecido e estável. É o ponto de referência do sistema para controle e medição de potencial. O fluxo de corrente através deste eletrodo é mantido próximo de zero. o contra-eletrodo (CE): A corrente flui entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo. O contra-eletrodo não tem papel nas reações eletroquímicas, exceto em situações específicas: célula de bateria, corrosão galvânica, medições de ruído eletroquímico.

Figura 3: Exemplo de uma configuração de três eletrodos.

componentes principais do potentiostat: eletrodo de referência e amplificador de controle

para garantir que as correntes fluam como resultado de variações potenciais na interface do eletrodo de trabalho, o potencial do eletrodo de referência deve permanecer estável e corresponder ao seu valor teórico. Deve ser mantido adequadamente. (ver verificação e Validação de eletrodos de referência).

o amplificador de controle (CA) é um componente eletrônico chave no potentiostat. É usado para manter a tensão entre o eletrodo de referência e o eletrodo de trabalho o mais próximo possível da tensão da fonte de entrada $e_{\mathrm{i}}$. A figura 4 mostra a posição do amplificador de controle em um design simplificado de um potenciostato moderno .

Figura 4: projeto básico do potentiostat .

o potencial medido no eletrodo de referência é alimentado de volta à entrada negativa do amplificador de controle. Isso cria um loop chamado “loop de feedback negativo”, que permite ao amplificador de controle adaptar sua saída e manter uma diferença de potencial correspondente a $e_{\mathrm{i}}$. Isso permite que o potentiostat controle com precisão o sinal de tensão e alcance o valor do ponto de ajuste correto. Para obter mais informações, consulte a nota de Aplicação biológica # 04:”O mistério da estabilidade do potenciostato explicado”.

na próxima parte deste artigo, descreveremos a evolução tecnológica dos potenciostatos ao longo do tempo, desde sua invenção inicial até os mais recentes avanços no desenvolvimento do potenciostato.

olhando para trás: a história dos potenciostatos

o primeiro método potenciostático foi usado por F. G. Cottrell em 1903, que trabalhou na verificação de equações de transferência de massa. Seu experimento consistiu em uma célula eletroquímica conectada a uma bateria em série com um galvanômetro para a medição de uma corrente. No entanto, neste momento, com um potenciostato tão simples, não foi possível verificar a diferença de potencial na interface do eletrodo de trabalho no circuito.Hickling, um eletroquímico da Universidade de Leicester desenvolveu, em 1942, o princípio do potenciostato moderno de três eletrodos, que hoje conhecemos. Hickling assumiu que os processos eletrolíticos são geralmente governados pelo potencial do eletrodo, que, até então, era apenas indiretamente controlável modificando a temperatura, a densidade de corrente ou os materiais do eletrodo . Hickling adicionou um terceiro eletrodo ao sistema e desenvolveu um meio de controlar automaticamente o potencial. O princípio geral por trás desse projeto era comparar a diferença de potencial entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência usando tensão derivada de um potenciômetro . Este princípio usado no potenciostato de Hickling é baseado na tecnologia de feedback negativo (veja acima).

o potenciostato de Hickling foi o primeiro potenciostato a usar um circuito de feedback negativo para a medição e controle da tensão dos eletrodos. Em 1956, o eletroquímico Prazak usou a palavra potentiostat para descrever o instrumento eletroquímico de Hickling.

outro importante contribuinte para o desenvolvimento do potentiostat foi Hans Wenking, que resolveu muitos problemas para eletroquímicos no final dos anos 50 e 60, contribuindo para o design da eletrônica ainda usada nas modernas estações de trabalho eletroquímicas de hoje .

desde 1971, o feedback negativo foi alcançado usando um componente eletrônico, chamado amplificador de controle . Para saber mais sobre feedback negativo, visite o artigo do centro de aprendizagem biológica “Obtenha mais do seu potentiostat. Entendendo a largura de banda & seu efeito nas medições”.

a partir dos anos 70, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) tornou-se uma ferramenta importante na caracterização de sistemas eletroquímicos. Desde então, a tecnologia potentiostat tem avançado constantemente com enormes melhorias feitas em termos de funcionalidade, desempenho e precisão. Um dos problemas mais desafiadores ao projetar um potentiostat refere-se ao fenômeno de queda ôhmica (consulte o artigo “correção de queda óhmica: um meio de melhorar a precisão da medição”). Esses versáteis instrumentos eletroquímicos evoluíram de potenciostatos simples para potenciostatos / galvanostatos, com dois modos principais de operação (ver definições de modo potenciostático e galvanostático acima).

além disso, eles se tornaram muito mais fáceis de usar e cada vez mais poderosos. O primeiro exemplo de um potenciostato multicanal controlado por computador pode ser visto em 1991 com o lançamento do MacPile. Este potenciostato foi inventado por dois pesquisadores franceses, Yves Chabre e Christian Mouget, e comercializado pela BioLogic. O MacPile pode ser considerado como o precursor da vasta gama de potenciostatos / galvanostatos agora disponíveis no mercado.

Figura 5: o primeiro Multichannel controlado por computador do mundo
potentiostat – the Mac Pile, lançado em 1991.

o princípio do feedback negativo inspirado em A. Hickling permanece até hoje a pedra angular do design do potentiostat. O parágrafo a seguir explica como os potenciostatos modernos funcionam.

aplicações: Como os potenciostatos são usados na pesquisa acadêmica e na indústria

em que aplicações industriais e científicas são potenciostatos usados?

Potentiostat / Galvanostats parecem ser uma ferramenta de análise essencial em campos científicos e industriais. Eles são úteis em uma ampla gama de aplicações e domínios, como armazenamento e conversão de energia, eletroquímica, ciência dos materiais e Ciências da vida, para mencionar apenas alguns. A figura 5 abaixo fornece uma visão geral e, para obter mais informações, você pode aprender sobre o uso do potenciostato por aplicativo no centro de aprendizagem biológica.

Figura 6: Potentiostats estão presentes em uma ampla gama de aplicações industriais e científicas

Foco em eletroquímica e armazenamento de energia: dois dos maiores tecno-social de desafios, onde potentiostats estão a avançar a investigação e a indústria

Potentiostats e sensores

Na maioria eletroquímica aplicações, potentiostat / galvanostats contribuir significativamente para um maior entendimento, a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas eletroquímicos.

porque os potenciostatos permitem a observação de reações redox, o potenciostato é a ferramenta tradicional de escolha para laboratórios especializados em eletroquímica analítica. Por exemplo, os potenciostatos VMP-300 podem ser usados para caracterizar espécies ou processos eletroquímicos usando a técnica de voltametria cíclica do software biológico EC-Lab®.

da mesma forma, voltametria cíclica e outras medidas eletroquímicas (voltametria de pulso diferencial e espectroscopia de impedância eletroquímica) foram usadas com potenciostatos de canal único, como o biológico SP-50 para estudar as propriedades eletroanalíticas de um imunossensor de tecido. Esses sensores vestíveis monitoram a concentração de cortisol no suor humano de forma não invasiva e em tempo real. O nível de cortisol no corpo humano é uma fonte valiosa de informação, uma vez que uma alta concentração de cortisol pode alertar sobre a presença de um tumor .

Potenciostatos e corrosão

a corrosão também é um foco importante na eletroquímica e uma área onde os potenciostatos desempenham um papel vital. O custo global da corrosão é estimado em US $ 2,5 trilhões, com o controle da corrosão tendo o potencial de economizar 375-875 bilhões de dólares anualmente (impressionantes 3,4% do PIB global em 2013). Veja nosso artigo do centro de aprendizagem revestimentos, corrosão e eletroquímica da Ponta de prova da exploração. A corrosão pode ter um efeito devastador na infraestrutura, produção/fabricação e transporte, entre muitas outras atividades que dependem da integridade do metal usado. Estações de trabalho eletroquímicas (potenciostatos) são usadas em eletroquímica geral para ajudar a entender melhor os processos eletroquímicos fundamentais que levam à degradação do metal em reação com oxidantes como oxigênio ou sulfatos.

os Potenciostatos também são usados na ciência dos materiais para ajudar a desenvolver revestimentos e prevenir a corrosão. Eles são muito úteis para tais análises porque permitem o estudo das taxas de corrosão. Por exemplo, as propriedades e estruturas do material sobre as propriedades de corrosão do material podem ser estudadas . Além dos potenciostatos, as estações de trabalho da sonda de varredura são usadas para entender melhor os processos eletroquímicos locais que ocorrem durante a corrosão. As estações de trabalho da sonda de varredura fornecem uma visão ” micro “da corrosão, em oposição à visão” macro “obtida com potenciostatos (para obter mais informações, consulte o artigo”revestimentos, corrosão e eletroquímica da sonda de varredura”). Um exemplo do uso das estações de trabalho da ponta de prova da exploração em estudos da corrosão é a análise da distribuição da homogeneidade da impedância de um material agradecimentos à técnica de LEIS (espectroscopia eletroquímica localizada da impedância). Esta técnica da eletroquímica da ponta de prova da exploração fornece a informação detalhada na resistência de corrosão do sistema .

armazenamento de energia e baterias: Potentiostat use em todos os níveis da cadeia de valor da bateria

os avanços feitos na pesquisa de baterias na última década são nada menos que surpreendentes. Em 2010, a bateria de íons de lítio veio à tona com o crescimento exponencial da indústria de telecomunicações e a penetração no mercado do celular. Um período de rápido desenvolvimento tecnológico significa que agora vemos baterias de íons de lítio alimentando praticamente tudo o que vemos em nosso mundo moderno-até mesmo carros. A mudança climática significa que a espada de Dâmocles paira sobre grande parte do mundo desenvolvido com o desaparecimento de combustíveis fósseis e uma necessidade vital de encontrar fontes de energia de reposição. Para isso, o armazenamento de energia é fundamental para o desenvolvimento bem – sucedido de estratégias alternativas de energia-e, neste momento, as baterias parecem ser a tecnologia mais eficaz capaz de aproveitar o poder do sol, do mar e do vento. Portanto, não é difícil entender por que o mercado de baterias é tão importante. De fato, o mercado global de baterias é uma área de alto crescimento e deve chegar a US $279,7 bilhões até 2027 .

os Potenciostatos são tão importantes na pesquisa porque permitem ao usuário caracterizar cada parte de uma célula de bateria, mas também estressar a célula em seu projeto final, a fim de caracterizar seu desempenho, através do processo repetido de carga/descarga, conhecido como ciclismo de bateria. À medida que o desempenho da bateria se torna cada vez mais importante, a qualidade do potentiostat e a capacidade do sistema de levar a dados de interesse apropriados também se tornam críticas.

o papel do ciclador de bateria

os Potenciostatos encontraram o favor em uma variedade de campos industriais, principalmente graças à proliferação de baterias em uma ampla variedade de campos, mas especialmente indústrias automotivas e de telecomunicações. Com o crescimento do mercado de baterias secundárias (Recarregáveis), surgiu a necessidade de um novo instrumento de medição eletroquímica – o ciclador de baterias. Os cicladores de bateria compartilham muitas das características do potenciostato, mas esta ferramenta de medição eletroquímica é usada para responder a duas necessidades primárias. Os fabricantes usam cicladores de bateria para controlar a qualidade das baterias que produzem. As principais organizações industriais compram essas baterias e as integram em seus produtos. Os cicladores de bateria são então usados pela indústria para selecionar e qualificar baterias. Muitas vezes, esses testes envolvem o ciclismo da bateria para quantificar sua capacidade.

durante sua vida útil, a bateria pode ser associada a um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) que adapta o uso da bateria em relação ao seu estado de carga ou estado de saúde (consulte nosso artigo do centro de aprendizagem: “Estados Da Bateria: Estado de carga (SoC), Estado de saúde (SoH)”). Depois da sua utilização inicial, a resistência interna da bateria (cuja evolução está relacionada com o processo de envelhecimento) pode ser quantificada utilizando Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) para determinar o próximo passo para o gerenciamento de vida útil da bateria (“second life” é um termo amplamente utilizado para a reciclagem e a reciclagem de baterias).

Figura 7: a cadeia de valor da tecnologia para baterias.

olhando para a frente: O futuro dos potenciostatos …

neste artigo, citamos apenas alguns exemplos das muitas aplicações e oportunidades oferecidas pelos potenciostatos / galvanostatos. Esta multi-ferramenta eletroquímica desempenha um papel vital em laboratórios, institutos de pesquisa e centros R&D em todo o mundo. Em todas as aplicações, há uma necessidade crescente de instrumentos de maior precisão, maior precisão e maior desempenho que impulsionarão a pesquisa do potentiostat e as melhores especificações do potentiostat. A pesquisa de sensores é outra aplicação que exige ferramentas analíticas cada vez mais eficientes. E o dano colossal causado pela corrosão (especialmente a água do mar) significa que a próxima geração de potenciostatos continuará a desempenhar um papel vital na minimização de danos à infraestrutura por meio de pesquisas e pesquisas fundamentais em revestimentos e outras tecnologias.

para armazenamento de energia, novas químicas de baterias estão em constante evolução. A nova geração de íons de lítio oferece o mais alto nível de densidade de energia atualmente disponível. Espera-se que as versões de estado sólido da química lítio-enxofre ofereçam um excelente potencial para os setores espacial e de aviação, bem como para a indústria automotiva. Finalmente, o desenvolvimento de baterias de Estado Sólido exigirá potenciostatos cada vez mais poderosos com maior funcionalidade e desempenho. O potentiostat já encontrou seu lugar na pesquisa fundamental e aplicada, R & D e aplicações industriais. Mas ainda não começamos a ver o valor total dessas extraordinárias ferramentas de medição.

para uma visão geral dos galvanostatos de potenciostato biológico, Clique aqui.

1. Nota de Aplicação # 04 “O mistério da estabilidade do potentiostat explicado”.
2. A. Hickling, estudos em polarização de eletrodos, parte IV, (1942).
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