cum funcționează potențiostatele și utilizarea lor în știință și Industrie (seria de bază pentru Electrochimie)

subiect 20 min citit

Ultima actualizare: 12 noiembrie 2021

rolul potențiostatelor, cuțitele armatei elvețiene de cercetare electrochimică și valoarea lor în R&D, controlul calității și testarea bateriilor, printre alte domenii industriale și științifice, sunt examinate în acest articol.

în spatele fiecărei decizii bune în cercetarea electrochimică, se află un potențiostat bun…

instrumentele de măsurare și analiză au fost folosite de mult timp în lumile industriei și cercetării pentru a stimula inovația. Pe lângă creșterea înțelegerii noastre științifice și tehnice, astfel de instrumente joacă un rol vital în cuantificarea și calificarea fenomenelor imperceptibile simțurilor umane. Potențiostatele sunt un exemplu excelent de astfel de dispozitive analitice și au susținut progresul în domeniul electrochimiei de mai bine de un secol.

Potențiostatele (denumite uneori stații de lucru electrochimice sau potențiostate / galvanostate) sunt instrumente vitale de măsurare și control utilizate în principal în cercetarea electrochimică, precum și în alte domenii industriale. În electrochimie, potențiostatele sunt utilizate atât în cercetarea fundamentală, cât și în cea aplicată pentru a obține o înțelegere sporită a proceselor electrodului, a chimiei analitice, a cercetării bateriilor și a cercetării coroziunii. Aplicațiile secundare includ sinteza chimică și biologia. Veți vedea o listă completă a acestor aplicații în acest articol.

Potențiostatele s-au dovedit a fi instrumente majore în dezvoltarea bateriilor secundare prin capacitatea lor de a studia interfețele electrochimice. De asemenea, permit testarea bateriei prin capacitatea lor de a încărca și descărca o baterie în condiții predefinite.

acest articol va oferi o imagine de ansamblu asupra rolului potențiostatului în cercetare și industrie și va descrie modul în care acestea funcționează.

pe scurt: ce este un potențiostat / galvanostat?

un potențiostat / galvanostat este un instrument care gestionează aplicarea tensiunii sau curentului la un electrod de celule electrochimice (descriere detaliată mai jos). Potențiostatul / galvanostatul este instrumentul principal utilizat în experimentele electrochimice și electroanalitice.

Prezentare generală: modurile funcționale

modurile Potențiostatice / Galvanostatice

Potențiostatele / galvanostatele au două moduri principale de funcționare în funcție de cantitatea electrică controlată – potențialul sau curentul. Acestea se numesc moduri potențiostatice și galvanostatice (vezi Figurile 1 & 2 de mai jos). Când potențiostatul/galvanostatul este utilizat în modul potențiostatic, acesta poate fi denumit potențiostat.

în modul potențiostatic, potențiostatul aplică și controlează potențialul și măsoară curentul care curge prin sistemul electrochimic (a se vedea Figura 1 de mai jos).

Figura 1: Principiul modului potențiostatic.

pe scurt: Modul potențiostatic

modul potențiostatic măsoară și controlează diferența de tensiune dintre un electrod de lucru și un electrod de referință, care are un potențial constant. Acesta, poate cel mai frecvent utilizat mod al unei stații de lucru electrochimice, măsoară fluxul de curent dintre electrodul de lucru și contraelectrodul (care completează circuitul celular).

este obișnuit să se aplice o „rampă de tensiune” în care tensiunea este aplicată incremental (o tehnică potențiodinamică) cea mai populară fiind Voltametria ciclică (CV). Voltametria ciclică este o tehnică rapidă și ușoară pentru a obține comportamentul complet al unui sistem electrochimic (vezi Voltammetria ciclică: cum să obțineți rezultate excelente cu potențiostatul dvs.).

tehnicile utilizate cel mai frecvent în coroziune și electrochimie analitică se bazează pe modul potențiostatic.

în modul galvanostatic, instrumentul electrochimic efectuează măsurătorile pentru variațiile potențiale în timp ce curentul este aplicat și controlat (a se vedea Figura 2 de mai jos).

Figura 2: principiul modului galvanostatic.

pe scurt: modul Galvanostatic

modul Galvanostatic se bazează pe controlul curentului care curge prin sistem. Când dispozitivul este utilizat pentru aceste măsurători se numește galvanostat. Cea mai obișnuită aplicație pentru modul galvanostatic este cercetarea bateriilor.

o mulțime de tehnici electrochimice moderne se bazează pe o succesiune de secvențe folosind alternativ moduri potențiostatice și galvanostatice. Abilitatea de a trece de la un mod la altul este o dezvoltare relativ recentă în proiectarea potențiostatului, dar una care este utilizată pe scară largă în testarea bateriei, unde este necesară trecerea rapidă succesivă de la modul potentio la modul galvano. O astfel de funcționalitate necesită specificații high-end, cum ar fi cele disponibile pe potențiostate biologice.

alte moduri de funcționare

Potențiostatele au, de asemenea, moduri de control specifice: tensiunea circuitului deschis (OCV), ampermetrul cu rezistență Zero (ZRA) și prin Spectroscopia de impedanță electrochimică (EIS). Fiecare dintre aceste moduri de control are un scop specific.

modul de control OCV permite obținerea datelor de tensiune atunci când celula se află într-o stare de repaus, adică atunci când potențiostatul nu aplică curent sau tensiune electrodului de lucru al celulei. Acest mod de control este utilizat în mod obișnuit pentru echilibrarea celulei electrochimice.

EIS desemnează un mod de control sinusoidal. Potențiostatul aplică un semnal de intrare sinusoidal (curent sau tensiune) și măsoară răspunsul sistemului. Acest mod de control este utilizat pe scară largă în sistemele electrochimice și de coroziune, deoarece oferă informații detaliate despre cinetica reacției, ratele de coroziune și parametrii de transfer de masă, printre altele. Pentru mai multe informații despre spectroscopia impedanței electrochimice (EIS), vă rugăm să vizitați articolul Centrului de învățare „ce este EIS”.

modul de control ZRA permite determinarea zgomotului curentului electrochimic prin aplicarea unei tensiuni egale cu 0 V între electrodul de lucru și contraelectrodul (vezi descrierea electrozilor) și măsurarea curentului care curge între cele două probe identice. Mai multe informații despre măsurătorile de zgomot electrochimice pot fi găsite în nota de aplicare #39-1.#39-2, #39-3

o legătură perfectă între interfața potențiostat (software) și potențiostat (hardware) facilitează gestionarea fiecărui mod de către utilizator.

în următoarea parte a documentului, vom analiza exact modul în care funcționează potențiostatul examinând componentele cheie și arhitectura potențiostatului.

cum funcționează potențiostatele / galvanostatele?

controlul potențialului: configurarea cu trei electrozi

potențiostatul este un instrument dedicat studiului proceselor electrochimice. Controlul potențialului electrodului de lucru interfacial este crucial pentru a garanta că curentul este măsurat la un potențial constant. O configurare cu trei electrozi face acest lucru posibil.

acești trei electrozi sunt cunoscuți ca electrodul de lucru, electrodul de referință și contraelectrodul (numit și electrodul auxiliar).

electrodul de lucru( WE): reacția de interes are loc la interfața electrodului de lucru. electrodul de referință (RE): potențialul electrodului de referință este bine cunoscut și stabil. Este punctul de referință al sistemului pentru controlul și măsurarea potențialului. Fluxul de curent prin acest electrod este menținut aproape de zero. contra-electrodul (CE): Curentul curge între electrodul de lucru și contra-electrodul. Contra-electrodul nu are rol în reacțiile electrochimice, cu excepția situațiilor specifice: celula bateriei, coroziunea galvanică, măsurătorile de zgomot electrochimic.

Figura 3: Exemplu de configurare cu trei electrozi.

componente potențiostat cheie: electrodul de referință și amplificatorul de comandă

pentru a garanta că curenții curg ca urmare a variațiilor potențiale la interfața electrodului de lucru, potențialul electrodului de referință trebuie să rămână stabil și să corespundă valorii sale teoretice. Trebuie să fie întreținută corespunzător. (a se vedea verificarea și validarea electrozilor de referință).

amplificatorul de comandă (CA) este o componentă electronică cheie în potențiostat. Este folosit pentru a menține tensiunea dintre electrodul de referință și electrodul de lucru cât mai aproape posibil de tensiunea sursei de intrare $e_{\mathrm{i}}$. Figura 4 prezintă poziția amplificatorului de control într-un design simplificat al unui potențiostat modern .

Figura 4: proiectarea potențiostatului de bază .

potențialul măsurat la electrodul de referință este alimentat înapoi la intrarea negativă a amplificatorului de comandă. Aceasta creează o buclă numită „buclă de feedback negativ”, care permite amplificatorului de control să-și adapteze ieșirea și să mențină o diferență de potențial corespunzătoare $e_{\mathrm{i}}$. Acest lucru permite potențiostatului să controleze cu precizie semnalul de tensiune și să atingă valoarea de referință corectă. Pentru mai multe informații, consultați nota de aplicare biologică #04: „misterul stabilității potențiostatului explicat”.

în următoarea parte a acestui articol, vom descrie evoluția tehnologică a potențiostatelor în timp, de la invenția lor inițială până la cele mai recente progrese în dezvoltarea potențiostatelor.

Privind înapoi: istoria potențiostatelor

prima metodă potențiostatică a fost utilizată de F. G. Cottrell în 1903, care a lucrat la verificarea ecuațiilor de transfer de masă. Experimentul său a constat într-o celulă electrochimică conectată la o baterie în serie cu un galvanometru pentru măsurarea unui curent. Cu toate acestea, în acest moment, cu un potențiostat atât de simplu, nu a fost posibil să se stabilească diferența de potențial la interfața electrodului de lucru din circuit.

Hickling, electrochimist la Universitatea din Leicester a dezvoltat, în 1942, principiul potențiostatului modern cu trei electrozi, pe care îl cunoaștem astăzi. Hickling a presupus că procesele electrolitice sunt în general guvernate de potențialul electrodului, care, până atunci, era doar indirect controlabil prin modificarea temperaturii, densității curentului sau a materialelor electrodului . Hickling a adăugat un al treilea electrod la sistem și a dezvoltat un mijloc de control automat al potențialului. Principiul general din spatele acestui design a fost de a compara diferența de potențial dintre electrodul de lucru și electrodul de referință folosind tensiunea derivată dintr-un potențiometru . Acest principiu utilizat în potențiostatul Hickling se bazează pe tehnologia de feedback negativ (vezi mai sus).

potențiostatul Hickling a fost primul potențiostat care a utilizat un circuit de feedback negativ pentru măsurarea și controlul tensiunii electrozilor. În 1956, electrochimistul Prazak a folosit cuvântul potențiostat pentru a descrie instrumentul electrochimic al lui Hickling.

un alt contribuitor important la dezvoltarea potențiostatului a fost Hans Wenking, care a rezolvat multe probleme pentru electrochimiști la sfârșitul anilor 50 și 60, contribuind la proiectarea electronicii încă utilizate în stațiile de lucru electrochimice moderne de astăzi .

din 1971, feedback-ul negativ a fost obținut folosind o componentă electronică, numită amplificator de control . Pentru a afla mai multe despre feedback-ul negativ, vă rugăm să vizitați Centrul de învățare biologică articolul „obțineți mai multe de la potențiostat. Înțelegerea lățimii de bandă & efectul său asupra măsurătorilor”.

începând cu anii 70, spectroscopia de impedanță electrochimică (EIS) a devenit un instrument major în caracterizarea sistemelor electrochimice. De atunci, tehnologia potențiostat a avansat constant cu îmbunătățiri uriașe aduse în ceea ce privește funcționalitatea, performanța și precizia. Una dintre cele mai dificile probleme la proiectarea unui potențiostat se referă la fenomenul picăturii ohmice (vezi articolul „corecția picăturii ohmice: un mijloc de îmbunătățire a preciziei măsurătorilor”). Aceste instrumente electrochimice versatile au evoluat de la potențiostate simple la potențiostate / galvanostate, cu două moduri principale de funcționare (vezi definițiile modului potențiostatic și galvanostatic de mai sus).

mai mult, au devenit mult mai ușor de utilizat și din ce în ce mai puternice. Primul exemplu de potențiostat controlat de computer multicanal a putut fi văzut în 1991 odată cu lansarea MacPile. Acest potențiostat a fost inventat de doi cercetători francezi, Yves Chabre și Christian Mouget, și comercializat de BioLogic. MacPile poate fi considerat precursorul vastei game de potențiostat / galvanostate disponibile acum pe piață.

Figura 5: primul potențiostat controlat de computer multicanal din lume
-Mac Pile, lansat în 1991.

principiul feedback-ului negativ inspirat de A. Hickling rămâne până în prezent piatra de temelie a designului potențiostat. Următorul paragraf explică modul în care funcționează potențiostatele moderne.

Aplicații: Cum se utilizează potențiostatele în cercetarea academică și în industrie

în care aplicații industriale și științifice sunt utilizate potențiostatele?

Potențiostatul / Galvanostatele par a fi un instrument esențial de analiză atât în domeniul științific, cât și în cel industrial. Acestea sunt utile într-o gamă largă de aplicații și domenii, cum ar fi stocarea și conversia energiei, electrochimia, știința materialelor și științele vieții, pentru a menționa doar câteva. Figura 5 de mai jos oferă o imagine de ansamblu și, pentru mai multe informații, puteți afla despre utilizarea potențiostatului prin aplicație în Centrul de învățare biologică.

Figura 6: Potențiostatele sunt prezente într-o gamă largă de aplicații industriale și științifice

concentrarea asupra electrochimiei și stocării energiei: două dintre provocările majore Tehno-societale în care potențiostatele avansează cercetarea și industria

Potențiostatele și senzorii

în majoritatea aplicațiilor electrochimice, potențiostatele / galvanostatele contribuie semnificativ la creșterea înțelegerii, cercetării și dezvoltării sistemelor electrochimice.

deoarece potențiostatele permit observarea reacțiilor redox, potențiostatul este instrumentul tradițional de alegere pentru laboratoarele specializate în electrochimie analitică. De exemplu, potențiostatele VMP-300 pot fi utilizate pentru a caracteriza speciile sau procesele electrochimice folosind tehnica de voltametrie ciclică a software-ului BioLogic EC-Lab XV.

în mod similar, voltametria ciclică și alte măsurători electrochimice (voltammetria pulsului diferențial și spectroscopia impedanței electrochimice) au fost utilizate cu potențiostate cu un singur canal, cum ar fi SP-50 BioLogic pentru a studia proprietățile electroanalitice ale unui imunosenzor de țesătură. Acești senzori purtabili monitorizează concentrația de cortizol în transpirația umană neinvaziv și în timp real. Nivelul cortizolului din corpul uman este o sursă valoroasă de informații, deoarece o concentrație ridicată de cortizol poate avertiza despre prezența unei tumori .

Potențiostatele și coroziunea

coroziunea este, de asemenea, un accent major în electrochimie și o zonă în care potențiostatele joacă un rol vital. Costul global al coroziunii este estimat la 2,5 trilioane de dolari, controlul coroziunii având potențialul de a economisi 375-875 miliarde de dolari anual (un uimitor 3,4% din PIB-ul global în 2013). Consultați articolul nostru din Centrul de învățare acoperiri, coroziune și sondă de scanare Electrochimie. Coroziunea poate avea un efect devastator asupra infrastructurii, producției/fabricației și transportului, printre multe alte activități care depind de integritatea metalului utilizat. Stațiile de lucru electrochimice (potențiostatele) sunt utilizate în electrochimia generală pentru a ajuta la înțelegerea mai bună a proceselor electrochimice fundamentale care duc la degradarea metalului în reacție cu oxidanți precum oxigenul sau sulfații.

Potențiostatele sunt, de asemenea, utilizate în știința materialelor pentru a ajuta la dezvoltarea acoperirilor și la prevenirea coroziunii. Sunt foarte utile pentru astfel de analize, deoarece permit studiul ratelor de coroziune. De exemplu, pot fi studiate proprietățile și structurile materialului asupra proprietăților de coroziune ale materialului . Pe lângă potențiostate, stațiile de lucru ale sondelor de scanare sunt utilizate pentru a înțelege mai bine procesele electrochimice locale care apar în timpul coroziunii. Stațiile de lucru ale sondei de scanare oferă o vedere ” micro „a coroziunii, spre deosebire de vizualizarea” macro „obținută cu potențiostate (pentru mai multe informații, consultați articolul”acoperiri, coroziune și Electrochimie a sondei de scanare”). Un exemplu de stații de lucru cu sondă de scanare utilizate în studiile de coroziune este analiza distribuției omogenității impedanței unui material datorită tehnicii LEIS (spectroscopie de impedanță electrochimică localizată). Această tehnică de electrochimie a sondei de scanare oferă informații detaliate despre rezistența la coroziune a sistemului .

stocarea energiei și bateriile: utilizarea Potențiostatului la fiecare nivel al lanțului valoric al bateriei

progresele înregistrate în cercetarea bateriilor în ultimul deceniu nu sunt decât uimitoare. În 2010, bateria litiu-ion a ieșit în prim plan odată cu creșterea exponențială a industriei telecomunicațiilor și pătrunderea pe piață a telefonului mobil. O perioadă de dezvoltare tehnologică rapidă înseamnă că acum vedem baterii litiu-ion care alimentează aproape tot ceea ce vedem în lumea noastră modernă – chiar și mașinile. Schimbările climatice înseamnă că sabia lui Damocles atârnă peste o mare parte a lumii dezvoltate odată cu dispariția combustibililor fosili și cu nevoia vitală de a găsi surse de energie de înlocuire. În acest scop, stocarea energiei este esențială pentru dezvoltarea cu succes a strategiilor alternative de energie – și în acest moment, bateriile par a fi cea mai eficientă tehnologie capabilă să valorifice puterea soarelui, a mării și a vântului. Prin urmare, nu este greu de înțeles de ce piața bateriilor este atât de importantă. Într-adevăr, piața globală a bateriilor este o zonă de creștere ridicată și se așteaptă să ajungă la 279,7 miliarde de dolari până în 2027 .

Potențiostatele sunt atât de importante în cercetare, deoarece permit utilizatorului să caracterizeze fiecare parte a unei celule a bateriei, dar și să streseze celula în designul său final pentru a-și caracteriza performanța, prin procesul repetat de încărcare/descărcare, cunoscut sub numele de ciclism al bateriei. Pe măsură ce performanța bateriei devine din ce în ce mai importantă, calitatea potențiostatului și capacitatea sistemului de a conduce la date adecvate de interes devin, de asemenea, critice.

rolul ciclatorului de baterii

Potențiostatele au găsit favoare într-o varietate de domenii industriale, în principal datorită proliferării bateriilor într-o mare varietate de domenii, dar mai ales în industria auto și a telecomunicațiilor. Odată cu creșterea pieței secundare (reîncărcabile) a bateriilor, a apărut necesitatea unui nou instrument de măsurare electrochimică – ciclatorul bateriei. Ciclatoarele de baterii împărtășesc multe dintre caracteristicile potențiostatului, dar acest instrument de măsurare electrochimică este utilizat pentru a răspunde la două nevoi primare. Producătorii folosesc ciclatoare de baterii pentru a controla calitatea bateriilor pe care le produc. Marile organizații industriale cumpără aceste baterii și apoi le integrează în produsele lor. Ciclatoarele de baterii sunt apoi utilizate de industrie pentru a selecta și califica bateriile. Adesea, aceste teste implică ciclarea bateriei pentru a cuantifica capacitatea acestora.

în timpul duratei sale de viață, bateria poate fi asociată cu un sistem de gestionare a bateriei (BMS) care adaptează utilizarea bateriei în funcție de starea de încărcare sau de starea de sănătate (consultați articolul nostru din Centrul de învățare: „starea bateriei: Starea de încărcare (SoC), starea de sănătate (SoH)”). După utilizarea sa inițială, rezistența internă a bateriei (a cărei evoluție este legată de procesul de îmbătrânire) poate fi cuantificată folosind Spectroscopia de impedanță electrochimică (EIS) pentru a determina următorul pas pentru gestionarea duratei de viață a bateriei („a doua viață” este un termen utilizat pe scară largă pentru reciclarea și reciclarea bateriilor).

Figura 7: lanțul valoric tehnologic pentru baterii.

Aștept cu nerăbdare: Viitorul potențiostatelor…

în acest articol, am citat doar câteva exemple ale numeroaselor aplicații și oportunități oferite de potențiostat / galvanostate. Acest multi-instrument electrochimic joacă un rol vital în laboratoare, institute de cercetare și centre R&D din întreaga lume. În toate aplicațiile, există o nevoie tot mai mare de instrumente de precizie mai mare, de precizie mai mare, de performanță mai mare, care vor conduce cercetarea potențiostatului și specificațiile îmbunătățite ale potențiostatului. Cercetarea senzorilor este o altă aplicație care necesită instrumente analitice din ce în ce mai performante. Iar daunele colosale cauzate de coroziune (în special apa de mare) înseamnă că următoarea generație de potențiostate va continua să joace un rol vital în minimizarea daunelor aduse infrastructurii prin cercetări fundamentale și cercetări în acoperiri și alte tehnologii.

pentru stocarea energiei, noile chimii ale bateriilor sunt în continuă evoluție. Noua generație litiu-ion oferă cel mai înalt nivel de densitate de energie Disponibil în prezent. Se așteaptă ca versiunile în stare solidă ale chimiei litiu-sulf să ofere un potențial excelent pentru sectoarele spațiale și aviatice, precum și pentru industria auto. În cele din urmă, dezvoltarea bateriilor în stare solidă va necesita potențiostate din ce în ce mai puternice, cu funcționalitate și performanță sporite. Potențiostatul și-a găsit deja locul în cercetarea fundamentală și aplicată, R&D și în aplicațiile industriale. Dar nu am început încă să vedem întreaga valoare a acestor instrumente extraordinare de măsurare.

pentru o prezentare generală a galvanostatelor potențiale biologice, vă rugăm să faceți clic aici.

1. nota de aplicare #04 „misterul stabilității potențiostatului explicat”.
2. A. Hickling, studii în polarizarea electrodului, Partea IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
4. R. D Unixtlling, materiale și coroziune, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, sistem electroanalitic flexibil controlat de calculator, teza Institutului Politehnic Național din Grenoble și a Universității „Politehnica” din București, 2002.
6. S. Madhu, A. J. Anthuuvan, S. Ramasamy, P. Manickam, S. Bhansali, P. Nagamony, V. Chinnuswamy, materiale electronice aplicate ACS, 2, (2020) 499-509.
7. măsuri internaționale de prevenire, aplicare și economie a studiului tehnologiilor de coroziune, raport internațional Nace
8. H-R. Erfanian-Nazif ‘ Toosi, H. F. Lopez: Jurnalul de materiale și aplicații, 9(1), (2020) 1-8.
9. T. Liu, Y. Wang, S. Pan, Q. Zhao, C. Zhang, S. Gao, Z. Guo, N. Guo, W. Nisip, X. Chang, L. Dong, Y. Yin, Știința Coroziunii, 149, (2019) 153-163.
10. raport global al pieței bateriilor 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

glosar