hur potentiostater fungerar och deras användning inom vetenskap och industri (Electrochemistry Basics Series)

ämne 20 min läs

Senast uppdaterad: November 12, 2021

potentiostats Roll, Swiss-army knives of electrochemical research och deras värde i R&D, kvalitetskontroll och batteritestning bland andra industriella och vetenskapliga domäner undersöks i denna artikel.

bakom varje bra beslut i elektrokemisk forskning ligger en bra potentiostat…

mät-och analysverktyg har länge använts i världarna av industri och forskning för att driva innovation. Förutom att öka vår vetenskapliga och tekniska förståelse spelar sådana verktyg en viktig roll för att kvantifiera och kvalificera fenomen som är omärkliga för mänskliga sinnen. Potentiostater är ett bra exempel på sådana analytiska anordningar och har stött framsteg inom elektrokemi i mer än ett sekel.

Potentiostater (ibland kallade elektrokemiska arbetsstationer eller potentiostater / galvanostater) är viktiga mät-och styrverktyg som används främst inom elektrokemisk forskning, liksom inom andra industriella områden. I elektrokemi används potentiostater både i grundläggande och tillämpad forskning för att få en ökad förståelse för elektrodprocesser, analytisk kemi, batteriforskning och korrosionsforskning. Sekundära tillämpningar inkluderar kemisk syntes och biologi. Du kommer att se en fullständig lista över dessa applikationer i den här artikeln.

Potentiostater har visat sig vara viktiga verktyg i utvecklingen av sekundära batterier genom deras förmåga att studera elektrokemiska gränssnitt. De möjliggör också batteritestning genom sin förmåga att ladda och ladda ur ett batteri under fördefinierade förhållanden.

denna artikel kommer att ge en bred översikt över potentiostatens roll i forskning och industri och kommer att beskriva hur de fungerar.

en överblick: vad är en potentiostat / galvanostat?

en potentiostat / galvanostat är ett instrument som hanterar tillämpningen av spänning eller ström till en elektrokemisk cellelektrod (detaljerad beskrivning nedan). Potentiostat / galvanostat är det viktigaste verktyget som används i elektrokemiska och elektroanalytiska experiment.

översikt: funktionslägen

Potentiostatiska / Galvanostatiska lägen

Potentiostater / galvanostater har två huvudfunktionslägen beroende på den elektriska kvantiteten som styrs – potentialen eller strömmen. Dessa kallas potentiostatiska och galvanostatiska lägen (se figurerna 1 & 2 nedan). När potentiostat / galvanostat används i potentiostatiskt läge kan det kallas en potentiostat.

i potentiostatiskt läge applicerar och kontrollerar potentiostaten potentialen och mäter strömmen som strömmar genom det elektrokemiska systemet (se Figur 1 nedan).

Figur 1: princip för potentiostatiskt läge.

en överblick: Potentiostatiskt läge

potentiostatiskt läge mäter och styr spänningsskillnaden mellan en arbetselektrod och en referenselektrod, som har en konstant potential. Detta, kanske det vanligaste läget för en elektrokemisk arbetsstation, mäter strömflödet mellan arbetselektroden och motelektroden (som fullbordar cellkretsen).

det är vanligt att tillämpa en ”spänningsramp” där spänning appliceras stegvis (en potentiodynamisk teknik), den mest populära är cyklisk Voltammetri (CV). Cyklisk Voltammetri är en snabb och enkel teknik för att få ett fullständigt beteende hos ett elektrokemiskt system (se cyklisk Voltammetri: hur man får bra resultat med din potentiostat).

de tekniker som oftast används i korrosion och analytisk elektrokemi är baserade kring det potentiostatiska läget.

i galvanostatiskt läge utför det elektrokemiska instrumentet mätningarna för potentiella variationer medan strömmen appliceras och styrs (se Figur 2 nedan).

Figur 2: principen för galvanostatiskt läge.

en överblick: Galvanostatiskt läge

Galvanostatiskt läge är baserat på kontrollen av strömmen som strömmar genom systemet. När enheten används för dessa mätningar kallas det en galvanostat. Den vanligaste applikationen för galvanostatiskt läge är forskning om batterier.

massor av moderna elektrokemiska tekniker är baserade på en följd av sekvenser med alternativt potentiostatiska och galvanostatiska lägen. Möjligheten att växla från ett läge till ett annat är en relativt ny utveckling i potentiostatdesign men en som används i stor utsträckning vid batteritestning där det finns ett behov av att växla i snabb följd från potentio till galvano-läge. Sådan funktionalitet kräver avancerade specifikationer som de som finns tillgängliga på biologiska potentiostater.

andra funktionslägen

Potentiostater har också specifika styrlägen: öppen kretsspänning (OCV), Nollmotståndsmätaren (ZRA) och genom elektrokemisk Impedansspektroskopi (EIS). Var och en av dessa kontrolllägen har ett specifikt syfte.

OCV-styrläge möjliggör förvärv av spänningsdata när cellen är i viloläge, dvs när potentiostaten inte applicerar någon ström eller spänning på cellens arbetselektrod. Detta styrläge används vanligen för för jämvikt av den elektrokemiska cellen.

EIS betecknar ett sinusformat kontrollläge. Potentiostaten tillämpar en sinusformad ingångssignal (ström eller spänning) och mäter systemets svar. Detta styrläge används ofta i elektrokemiska och korrosionssystem eftersom det ger detaljerad information om reaktionskinetik, korrosionshastigheter och massöverföringsparametrar, bland andra. För mer information om elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS), besök Learning Center-artikeln ”Vad är EIS”.

ZRA-styrläget möjliggör bestämning av elektrokemiskt strömbrus genom att applicera en spänning lika med 0 V mellan arbetselektroden och motelektroden (se beskrivning av elektroder) och mäta strömmen som strömmar mellan de två identiska proverna. Mer information om de elektrokemiska bullermätningarna finns i Ansökningsnot #39-1.#39-2, #39-3

en sömlös länk mellan potentiostat-gränssnittet (programvara) och potentiostat (hårdvara) gör det enkelt för användaren att hantera varje läge.

i nästa del av dokumentet kommer vi att titta på exakt hur potentiostat fungerar genom att undersöka nyckelkomponenterna och potentiostatarkitekturen.

hur fungerar potentiostater / galvanostater?

styrning av potentialen: treelektrodinstallationen

potentiostaten är ett instrument som är dedikerat till studier av elektrokemiska processer. Kontrollen av den gränssnittsarbetande elektrodpotentialen är avgörande för att garantera att strömmen mäts med en konstant potential. En treelektrodinstallation gör detta möjligt.

dessa tre elektroder är kända som arbetselektroden, referenselektroden och motelektroden (även kallad hjälpelektroden).

arbetselektroden (vi): reaktionen av intresse inträffar vid arbetselektrodens gränssnitt. referenselektroden (RE): referenselektrodens potential är välkänd och stabil. Det är referenspunkten för systemet för potentiell kontroll och mätning. Strömflödet genom denna elektrod hålls nära noll. motelektroden (CE): Strömmen strömmar mellan arbetselektroden och motelektroden. Motelektroden har ingen roll i elektrokemiska reaktioner utom för specifika situationer: battericell, galvanisk korrosion, elektrokemiska bullermätningar.

Figur 3: Exempel på en tre-elektrod inställning.

viktiga potentiostatkomponenter: referenselektrod och styrförstärkare

för att garantera att strömmar strömmar som ett resultat av potentiella variationer vid arbetselektrodgränssnittet måste referenselektrodens potential förbli stabil och motsvara dess teoretiska värde. Det måste underhållas ordentligt. (se kontrollera och validera referenselektroder).

styrförstärkaren (CA) är en viktig elektronisk komponent i potentiostaten. Den används för att hålla spänningen mellan referenselektroden och arbetselektroden så nära som möjligt till spänningen hos ingångskällan $e_{\mathrm{i}}$. Figur 4 visar styrförstärkarens position i en förenklad design av en modern potentiostat .

Figur 4: Grundläggande potentiostatdesign .

den potential som mäts vid referenselektroden matas tillbaka till styrförstärkarens negativa ingång. Detta skapar en slinga som kallas ”negativ återkopplingsslinga”, vilket gör det möjligt för styrförstärkaren att anpassa sin utgång och upprätthålla en potentialskillnad motsvarande $e_{\mathrm{i}}$. Detta gör det möjligt för potentiostaten att exakt styra spänningssignalen och nå rätt börvärde. För mer information, se den biologiska ansökan Not # 04: ”mysteriet med potentiostat stabilitet förklaras”.

i nästa del av denna artikel kommer vi att beskriva den tekniska utvecklingen av potentiostater över tiden, från deras ursprungliga uppfinning till de allra senaste framstegen inom potentiostatutveckling.

ser tillbaka: historien om potentiostater

den första potentiostatiska metoden användes av F. G. Cottrell 1903 som arbetade med verifiering av massöverföringsekvationer. Hans experiment bestod av en elektrokemisk cell ansluten till ett batteri i serie med en galvanometer för mätning av en ström. Vid denna tidpunkt, med en sådan enkel potentiostat, var det emellertid inte möjligt att fastställa potentialskillnaden vid gränssnittet för arbetselektroden i kretsen.

Hickling, en elektrokemist vid University of Leicester utvecklade 1942 principen om den moderna treelektrodpotentiostaten, som vi nu känner till idag. Hickling antog att elektrolytiska processer i allmänhet styrs av elektrodpotentialen, som fram till dess endast var indirekt styrbar genom att modifiera temperatur, strömtäthet eller elektrodmaterial . Hickling lade till en tredje elektrod i systemet och utvecklade ett sätt att automatiskt styra potentialen. Den allmänna principen bakom denna design var att jämföra potentialskillnaden mellan arbetselektroden och referenselektroden med spänning härledd från en potentiometer . Denna princip som används i Hickling potentiostat är baserad på negativ återkopplingsteknik (se ovan).

Hickling potentiostat var den första potentiostat som använde en negativ återkopplingskrets för mätning och styrning av elektrodernas spänning. 1956 använde elektrokemisten Prazak ordet potentiostat för att beskriva Hicklings elektrokemiska instrument.

en annan viktig bidragsgivare till potentiostatutveckling var Hans Wenking som löste många problem för elektrokemister i slutet av 50-och 60-talet genom att bidra till utformningen av elektronik som fortfarande används i dagens moderna elektrokemiska arbetsstationer .

sedan 1971 har negativ feedback uppnåtts med hjälp av en elektronisk komponent, kallad en styrförstärkare . För att ta reda på mer om negativ feedback, besök BioLogic Learning Center-artikeln ”få mer från din potentiostat. Förstå bandbredd & dess effekt på mätningar”.

från 70-talet och framåt har elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) blivit ett viktigt verktyg i karakteriseringen av elektrokemiska system. Sedan dess har potentiostat-tekniken ständigt avancerat med stora förbättringar gjorda när det gäller funktionalitet, prestanda och precision. En av de mest utmanande frågorna när man utformar en potentiostat hänför sig till det ohmiska droppfenomenet (Se artikel ”ohmisk droppkorrigering: ett sätt att förbättra mätnoggrannheten”). Dessa mångsidiga elektrokemiska instrument har utvecklats från enkla potentiostater till potentiostater / galvanostater, med två huvudsakliga driftsätt (se potentiostatiska och galvanostatiska lägesdefinitioner ovan).

dessutom har de blivit mycket lättare att använda och allt kraftfullare. Det första exemplet på en flerkanalig datorstyrd potentiostat kunde ses 1991 med lanseringen av MacPile. Denna potentiostat uppfanns av två franska forskare, Yves Chabre och Christian Mouget, och kommersialiserades av biologiska. MacPile kan betraktas som föregångaren till det stora utbudet av potentiostat / galvanostater som nu finns på marknaden.

Figur 5: Världens första flerkanaliga datorstyrda
potentiostat-Mac högen, lanserades 1991.

principen om negativ feedback inspirerad av A. Hickling förblir till denna dag hörnstenen i potentiostat-designen. Följande stycke förklarar hur moderna potentiostater fungerar.

tillämpningar: Hur används potentiostater i akademisk forskning och inom industrin

där industriella och vetenskapliga tillämpningar används potentiostater?

Potentiostat / Galvanostater verkar vara ett viktigt analysverktyg inom såväl vetenskapliga som industriella områden. De är användbara i ett brett spektrum av applikationer och domäner som energilagring och omvandling, elektrokemi, materialvetenskap och biovetenskap, för att nämna några. Figur 5 nedan ger en översikt, och för mer information kan du lära dig om potentiostatanvändning genom applikation i BioLogic Learning Center.

Figur 6: Potentiostater finns i ett brett spektrum av industriella och vetenskapliga tillämpningar

fokus på elektrokemi och energilagring: två av de stora teknosociala utmaningarna där potentiostater främjar forskning och industri

Potentiostater och sensorer

i de flesta elektrokemiapplikationer bidrar potentiostat / galvanostater avsevärt till ökad förståelse, forskning och utveckling av elektrokemiska system.

eftersom potentiostater tillåter observation av redoxreaktioner är potentiostat det traditionella verktyget för laboratorier som specialiserat sig på analytisk elektrokemi. Till exempel, VMP-300 potentiostater kan användas för att karakterisera arter eller elektrokemiska processer med användning av den cykliska voltammetriteknik av biologisk programvara EC-Lab Kazaki.

på liknande sätt har cyklisk voltammetri och andra elektrokemiska mätningar (differentialpulsvolymetri och elektrokemisk impedansspektroskopi) använts med enkanalspotentiostater såsom den biologiska SP-50 för att studera de elektroanalytiska egenskaperna hos en tygimmunosensor. Dessa bärbara sensorer övervakar koncentrationen av kortisol i mänsklig svett icke-invasivt och i realtid. Kortisolnivån i människokroppen är en värdefull informationskälla eftersom en hög koncentration av kortisol kan varna för närvaron av en tumör .

Potentiostater och korrosion

korrosion är också ett stort fokus inom elektrokemi och ett område där potentiostater spelar en viktig roll. Den globala kostnaden för korrosion uppskattas till $2.5 trillion med korrosionskontroll som har potential att spara 375-875 miljarder dollar årligen (en svindlande 3.4% av den globala BNP i 2013). Se vår Learning Center artikel Coatings, korrosion och Scanning Probe Electrochemistry. Korrosion kan ha en förödande effekt på Infrastruktur, produktion/tillverkning och transport bland många andra aktiviteter som är beroende av integriteten hos den använda metallen. Elektrokemiska arbetsstationer (potentiostater) används i allmän elektrokemi för att bättre förstå de grundläggande elektrokemiska processerna som leder till nedbrytning av metall i reaktion med oxidanter som syre eller sulfater.

Potentiostater används också i materialvetenskap för att hjälpa till att utveckla beläggningar och förhindra korrosion. De är mycket användbara för sådana analyser eftersom de tillåter studier av korrosionshastigheter. Exempelvis kan materialegenskaper och strukturer på materialets korrosionsegenskaper studeras . Förutom potentiostater används skanningssondarbetsstationer för att bättre förstå lokala elektrokemiska processer som uppstår under korrosion. Skanningssondarbetsstationer ger en” mikro ”- vy av korrosion, i motsats till” Makro ”- vyn som erhållits med potentiostater (för mer information, se artikeln”Coatings, Corrosion and Scanning Probe Electrochemistry”). Ett exempel på användning av skanningssondarbetsstationer i korrosionsstudier är analysen av impedanshomogenitetsfördelning av ett material tack vare leis-tekniken (Localized Electrochemical Impedance Spectroscopy). Denna scanningsond elektrokemi teknik ger detaljerad information om korrosionsbeständigheten hos systemet .

energilagring och batterier: Potentiostatanvändning på alla nivåer i batterivärdekedjan

de framsteg som gjorts inom batteriforskning under det senaste decenniet är inget annat än svindlande. 2010 kom litiumjonbatteriet fram med telekommunikationsindustrins exponentiella tillväxt och mobiltelefonens marknadspenetration. En period av snabb teknisk utveckling innebär att vi nu ser litiumjonbatterier driva i stort sett allt vi ser i vår moderna värld – även bilar. Klimatförändringar innebär att Damocles svärd hänger över mycket av den utvecklade världen med nedläggningen av fossila bränslen och ett viktigt behov av att hitta ersättande energikällor. För detta ändamål är energilagring avgörande för en framgångsrik utveckling av alternativa energistrategier – och just nu ser batterier sannolikt ut att vara den mest effektiva tekniken som kan utnyttja kraften i solen, havet och vinden. Det är därför inte svårt att förstå varför batterimarknaden är så viktig. Den globala batterimarknaden är faktiskt ett område med hög tillväxt och förväntas nå 279, 7 miljarder dollar år 2027 .

Potentiostater är så viktiga i forskning eftersom de tillåter användaren att karakterisera varje del av en battericell, men också betona cellen i sin slutliga design för att karakterisera dess prestanda genom den upprepade processen för laddning/urladdning, känd som battericykling. När batteriprestanda blir allt viktigare blir potentiostatkvaliteten och systemets förmåga att leda till lämpliga data av intresse också kritisk.

battericykelns Roll

Potentiostater har funnit fördel inom en mängd olika industriområden, främst tack vare spridningen av batterier inom en mängd olika områden, men särskilt fordons-och telekommunikationsindustrin. Med tillväxten av den sekundära (uppladdningsbara) batterimarknaden har ett behov av ett nytt elektrokemiskt mätinstrument uppstått – battericyklaren. Battericyklar delar många av egenskaperna hos potentiostaten, men detta elektrokemiska mätverktyg används för att svara på två primära behov. Tillverkare använder battericyklar för att kontrollera kvaliteten på de batterier de producerar. Stora industriorganisationer köper dessa batterier och integrerar dem sedan i sina produkter. Battericyklar används sedan av industrin för att välja och kvalificera batterier. Ofta innebär dessa tester battericykling för att kvantifiera deras kapacitet.

under dess livslängd kan batteriet associeras med ett batterihanteringssystem (BMS) som anpassar batterianvändningen i förhållande till dess laddningstillstånd eller hälsotillstånd (se vår Learning Center-artikel: ”batteritillstånd: State of Charge (SoC), hälsotillstånd (SoH)”). Efter den första användningen kan batteriets inre motstånd (vars utveckling är relaterad till åldringsprocessen) kvantifieras med hjälp av elektrokemisk Impedansspektroskopi (EIS) för att bestämma nästa steg för hantering av batterilivslängd (”second life” är en term som ofta används för upcycling och återvinning av batterier).

Figur 7: den tekniska värdekedjan för batterier.

ser fram emot: Framtiden för potentiostater …

i den här artikeln har vi citerat några exempel på de många applikationer och möjligheter som potentiostat / galvanostater erbjuder. Detta elektrokemiska Multiverktyg spelar en viktig roll i laboratorier, forskningsinstitut och r&d-centra över hela världen. I alla applikationer finns det ett ökande behov av högre noggrannhet, högre precision, högre prestanda instrument som kommer att driva potentiostatforskning och förbättrade potentiostatspecifikationer. Sensorforskning är en annan applikation som kräver allt mer prestanda analytiska verktyg. Och den kolossala skada som orsakas av korrosion (särskilt havsvatten) innebär att nästa generations potentiostater fortsätter att spela en viktig roll för att minimera skador på infrastruktur genom grundforskning och forskning om beläggningar och annan teknik.

för energilagring utvecklas nya batterikemikalier ständigt. Den nya generationen litiumjon erbjuder den högsta nivån av energitäthet som för närvarande finns tillgänglig. Solid-state-versioner av litium-svavelkemi förväntas erbjuda utmärkt potential för rymd-och luftfartssektorer samt bilindustrin. Slutligen kommer utvecklingen av solid state-batterier att kräva allt kraftfullare potentiostater med ökad funktionalitet och prestanda. Potentiostaten har redan funnit sin plats i grundläggande och tillämpad forskning, R& D och industriella tillämpningar. Men vi har ännu inte börjat se det fulla värdet av dessa extraordinära mätverktyg.

för en översikt över biologiska potentiostat galvanostater, klicka här.

1. Application Note #04 ”mysteriet med potentiostat stabilitet förklaras”.
2. A. Hickling, studier i elektrodpolarisering, del IV, (1942).
3. A. Hickling, Electrochimica Acta, Vol 5, (1961) 161-168.
4. R. D Occyling, material och korrosion, 49, (1998) 535-538.
5. B. Petrescu, flexibelt elektroanalytiskt system som styrs av dator, avhandling från National Polytechnic Institute of Grenoble och Universitetet ”Politehnica” i Bukarest, 2002.
6. S. Madhu, A. J. Anthuuvan, S. Ramasamy, P. Manickam, S. Bhansali, P. Nagamony, V. Chinnuswamy, ACS tillämpade elektroniska Material, 2, (2020) 499-509.
7. internationella åtgärder för förebyggande, tillämpning och ekonomi för korrosionsteknikstudie, 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, Korrosionsvetenskap, 149, (2019) 153-163.
10. Global Batterimarknadsrapport 2020-2027, ResearchAndMarkets.Com

ordlista