Dynamische elektrochemischen Messung von Chlorid-Ionen

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Messung der Chloridionenkonzentration in wässrigen Elektrolyten mit Hilfe eines chronopotentiometrischen Verfahrens zu demonstrieren, das eine dynamische Messtechnik ist und keine langzeitstabile Referenzelektrode benötigt. Diese Technik wird uns helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Elektrochemie und der konkreten Anwendung zu beantworten. Zum Beispiel die Messung der Chloridionenkonzentration im Beton.

Die Entwicklung dieser Technologie ist für die zukünftige Anwendung der Messung der Chloridionenkonzentration in Beton von großer Bedeutung. Denn nur mit dieser Technologie können wir in Zukunft Sinne machen, die langfristig in Beton messen können. Bevor Sie mit diesem Vorgang beginnen, scheiden Sie Silbermetall auf einem Glaschip ab, um eine planare Silberelektrode zu bilden.

Legen Sie den Streifen in einen Chiphalter aus Polytetrafluorethylen, der über elektrische Anschlüsse verfügt und eine elektrochemische Zelle enthält. Um die Silberelektrode zu einer Silbersilberchlorid-Elektrode auf dem Chip zu chloridisieren, gießen Sie eine 0,1 molare Eisenchloridlösung in die Zelle, bis die silberne Farbe der Elektrode dunkelgrau wird. Spülen Sie anschließend den Chip mit entionisiertem Wasser ab, um das überschüssige Eisenchlorid zu entfernen.

Nach der Vorbereitung des Elektrolyten und dem Einrichten des Potentiostaten gießen Sie fünf Milliliter einer millimolaren Kaliumchloridlösung mit einem 0,5 molaren Kaliumnitrat-Hintergrundelektrolyten in die elektrochemische Zelle. Starten Sie als Nächstes das chronopotentiometrische Experiment mit dem Potentiostaten und legen Sie zehn Sekunden lang einen Strom von zehn Milliampere pro Quadratzentimeter an. Speichern Sie dann die Daten.

Ändern Sie die Konzentration systematisch auf sechs Millimolar mit einem Millimolar Inkrementen Kaliumchlorid. Wiederholen Sie dann die Messungen. Nach dem Speichern der Messdaten als A.MPT-Datei analysieren Sie die Daten mit einem eigens entwickelten Datenverarbeitungsprogramm und berechnen den Peak der ersten Ableitung.

Wiederholen Sie die Messung zu diesem Zeitpunkt dreimal im Abstand von einer Stunde zwischen den einzelnen Messungen. Nachdem Sie alle Datendateien im Datenverarbeitungsprogramm geöffnet haben, berechnen Sie die Übergangszeit für jede Messung, indem Sie die Potentialdifferenz zur erhaltenen Zeit grafisch darstellen. Berechnen Sie die erste Ableitung der potentiellen Antwortvariable

Geben Sie dann das Maximum der ersten Ableitung und die Zeit an, die die Übergangszeit ist. Für die Kalibrierkurve wird die Quadratwurzel der Übergangszeit in Bezug auf die Konzentration der Chloridionen aufgetragen. Zeichnen Sie entlang der gemessenen Daten die theoretische Kurve basierend auf der Sandgleichung auf.

Berechnen Sie dann den Diffusionskoeffizienten aus dem Datendiagramm zurück. Für die Driftmessung gießen Sie fünf Milliliter einer millimolaren Kaliumchloridlösung in die elektrochemische Zelle. Stellen Sie im Potentiostaten den angelegten Strom auf 10 Ampere pro Quadratmeter zum Quadrat und die Zeit auf 10 Sekunden ein.

Messen Sie das potenzielle Ansprechen zwei Wochen lang mit drei Messungen pro Tag im Abstand von drei Stunden zwischen den Messungen. Frischen Sie den Elektrolyten jeden Tag auf, bevor Sie die Messungen durchführen. Stellen Sie die Übergangszeit über zwei Messwochen dar.

Um die Wirkung einer Pseudo-Referenzelektrode auf die Übergangszeitmessungen zu untersuchen, gießen Sie vier Millimolar des Kaliumchlorid-Elektrolyten in die elektrochemische Zelle. Schließen Sie eine Silber-Silberchlorid-Pseudo-Referenzelektrode an den Referenzelektrodenanschluss des Potentiostaten an. Führen Sie anschließend die chronopotentiometrische Messung durch, indem Sie zehn Sekunden lang eine Stromdichte von 15 Ampere pro Quadratmeter zum Quadrat anlegen.

Wiederholen Sie die Messungen mit Platin und einem Stahlstab als Pseudo-Referenzelektroden. Notieren Sie die Daten für jedes Experiment. Abschließend stellen Sie die gemessene Übergangszeit für die verschiedenen verwendeten Pseudo-Referenzelektroden grafisch dar.

Die gemessenen Übergangszeiten für vier, fünf und sechs millimolare Chloridionenkonzentrationen betragen 2,69, 4,28 bzw. 5,92 Sekunden. Der Zeitpunkt des Peaks verschiebt sich zu höheren Werten, was zu erwarten ist, da mehr Chloridionen im Volumenelektrolyten vorhanden sind, was bedeutet, dass es länger dauert, bis die Ionen in der Nähe der Arbeitselektrodenoberfläche vollständig erschöpft sind. Die Quadratwurzel der Übergangszeit steht in linearer Korrelation zur Chloridionenkonzentration, wie sie durch die Sandgleichung vorhergesagt wird.

Der scheinbare Diffusionskoeffizient von Chloridionen stimmt gut mit dem theoretischen Wert überein. Der abnehmende Trend der Übergangszeit über die Messung ist gering und könnte auf Handhabungsfehler, sich ändernde Chloridionenkonzentration aufgrund von Verdunstung, Änderung der scheinbaren Stromdichte und Temperaturschwankungen zurückgeführt werden. Es ist daher schwierig, eine Schlussfolgerung über die Drift des Sensers zu ziehen.

Entweder gibt es keine inhärente Drift, oder die Drift ist gering. Bei verschiedenen Pseudoreferenzen ändert sich die Antwortvariablen nicht wesentlich, und die Übergangszeit variiert innerhalb von 80 Millisekunden. Daher hat das Referenzsystem keine systematische Wirkung, und jeder Metalldraht kann als Pseudo-Referenzelektrode für die Messungen verwendet werden.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in 30 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Bei der Anwendung dieser Technik ist zu beachten, dass der angelegte Strom nicht sehr hoch sein sollte, da er die Oberflächenmorphologie der Elektroden verändert. Nach ihrer Entwicklung wird diese Technik den Weg für unwahrscheinliche Chemiker ebnen, den Bereich eines referenzfreien Systems und eines dynamischen Systems im Beton zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie Sie die Chloridionenkonzentration mit dynamischen elektrochemischen Techniken wie der Chronopotentiometrie bestimmen können.