Mediciones electroquímicas de catalizadores soportados utilizando un potenciostato/galvanostato

Un potenciostato-galvanostato es el instrumento más utilizado en la caracterización electroquímica y se utiliza para comprender el efecto de los cambios eléctricos en una reacción química.

Un potenciostato-galvanostato es un instrumento utilizado en sistemas electroquímicos. Mide la corriente a un potencial aplicado en modo potenciostato, o viceversa en modo galvanostato. Para simplificar, el instrumento se llama comúnmente potenciostato.

Las reacciones de oxidación-reducción, o redox, ocurren en la superficie de un electrodo e involucran la transferencia de electrones. En particular, la pérdida de electrones en una especie química es el caso de la oxidación, o la ganancia de electrones en el caso de la reducción. Este evento redox puede ser inducido por un potencial aplicado, E, también llamado voltaje.

Este video demostrará la configuración y el rendimiento de las pruebas electroquímicas utilizando un potenciostato.

En la mayoría de los casos, los eventos redox se acoplan a un potenciostato a través de una celda de tres electrodos. La celda de tres electrodos consta de un electrodo de trabajo, un contraelectrodo o electrodo auxiliar y un electrodo de referencia. El electrodo de trabajo es donde se produce la reacción de interés, y el contraelectrodo se utiliza para completar el circuito eléctrico.

Un potencial aplicado se mide contra el electrodo de referencia, que contiene un sistema redox con un potencial de electrodo estable y conocido, E. Los electrodos de referencia comunes son el electrodo de calomel saturado y el electrodo de hidrógeno reversible, que se utilizan con fines de calibración. El electrodo de Ag/AgCl se usa comúnmente en pruebas electroquímicas y se interconecta con la solución de electrolito a través de una frita porosa.

La celda electroquímica se llena con una solución de electrolito de alta fuerza iónica, como una solución ácida, alcalina o salina. La solución electrolítica evita la acumulación de carga en los electrodos.

En un experimento electroquímico, el potencial, la corriente, el tiempo y la carga pueden ser manipulados o medidos por el potenciostato. Cuando el electrodo de trabajo actúa como cátodo, los electrones fluyen desde el contraelectrodo al electrodo de trabajo. Los iones cargados positivamente, o cationes, fluyen hacia el cátodo. Lo contrario es cierto cuando el electrodo de trabajo actúa como ánodo. Los iones cargados negativamente, o aniones, fluyen hacia el ánodo.

Al seleccionar los parámetros manipulados y medidos, son posibles varias técnicas de medición. La cronoamperometría es una técnica en la que se aplica un paso de potencial al electrodo de trabajo y el cambio de corriente resultante se mide en función del tiempo. Cuando un paso de potencial es lo suficientemente grande como para causar una reacción electroquímica en el electrodo de trabajo, la corriente cambia. Esta técnica se puede utilizar para muchas aplicaciones, como la determinación de coeficientes de difusión en la cinética de reacción.

Del mismo modo, la cronopotenciometría es una técnica en la que se aplica una corriente constante o variada, y el potencial se mide en función del tiempo. La corriente aplicada hace que las especies electroactivas se oxiden o reduzcan a una cierta velocidad. Esta técnica se utiliza para una variedad de aplicaciones, como la determinación del progreso de la reacción.

La voltamperometría mide la corriente anódica y catódica con respecto a un barrido de potencial aplicado. Esta medición examina la adición o eliminación de electrones de una especie química durante el aumento o disminución del potencial a una tasa constante. La voltamperometría cíclica, o CV, se trata en profundidad por separado en otro video de esta colección.

Ahora que se han cubierto los conceptos básicos de la voltamperometría, se demostrará en el laboratorio la preparación de una celda de tres electrodos y un electrodo de trabajo con un catalizador unido a la superficie. En esta demostración se preparará y medirá la tinta catalizadora, que consiste en nanopartículas de platino en un soporte de negro de humo, con un agente aglutinante Nafion. Este sistema es representativo de la investigación actual sobre pilas de combustible y baterías.

Para empezar, pesa 7,5 mg de catalizador de metal/negro de humo en una campana extractora y añádelo a un frasco de vidrio. Diluir el catalizador con 1 mL de agua y añadir 100 ? L?de Nafion 117, luego tape el vial.

Sonicar la mezcla en hielo durante al menos 10 minutos para asegurar una dispersión uniforme y una mezcla completa del soporte de negro de humo con el Nafion. Mientras la tinta está sonicando, prepare el electrodo de trabajo, que es un disco de carbono vítreo de 3 mm.

Limpie y pula el electrodo frotándolo suavemente con movimientos circulares y giratorios sobre una almohadilla suave cubierta con una solución de alúmina coloidal de 0,05 μm. Después de pulir, enjuague el electrodo abundantemente con agua desionizada para eliminar la alúmina.

A continuación, se gotean 7 ml de tinta sobre el electrodo de carbono vítreo pulido y orientado verticalmente. Seque el electrodo de trabajo al vacío a temperatura ambiente. Luego sécalo a 80?? C durante una hora si las nanopartículas del catalizador son estables al aire.

Primero, llene la celda electroquímica de vidrio con 10 mL del electrolito. Cubra la celda electroquímica con una tapa de teflón con aberturas para los tres electrodos. Desgasifique el electrolito durante al menos 30 minutos con gas nitrógeno de ultra alta pureza para eliminar el oxígeno redox-activo. Deja que el nitrógeno burbujee ligeramente durante todo el experimento.

Retire el electrodo de referencia Ag/AgCl de su solución de almacenamiento de NaCl de 3 M. Enjuague bien el electrodo con agua desionizada y colóquelo en la celda electroquímica.

A continuación, enjuague el contraelectrodo de alambre de platino y el electrodo de trabajo seco con agua desionizada e insértelos en la celda. Asegúrese de que los electrodos no se toquen. Encienda el potenciostato y conecte los cables a los electrodos de referencia y contraelectrodos.

Realice al menos 20 ciclos de acondicionamiento ejecutando escaneos de voltamperometría cíclica entre los límites de potencial superior e inferior a 50 mV por segundo. Este paso asegura que las superficies de los electrodos estén completamente hidratadas.

La voltamperometría de barrido lineal, o LSV, se puede realizar especificando los potenciales inicial y final, y la velocidad de escaneo. La velocidad de exploración del LSV suele ser menor que la del CV. El resultado es un gráfico de potencial vs. corriente con eventos de oxidación o reducción visualizados como picos en el escaneo. En este caso, el perclorato en el electrolito se redujo en la superficie del catalizador en la exploración catódica.

Para realizar cronoamperometría, selecciónelo como técnica, luego especifique el potencial fijo así como el tiempo. El resultado es un gráfico de la corriente frente al tiempo. El decaimiento inicial se debe a la descarga capacitiva, mientras que la parte de estado estacionario es esencialmente una línea recta. La cronoamperometría es potenciostática y, por lo tanto, después de la desintegración asintótica inicial de los efectos capacitativos, se puede aislar la corriente atribuida a las reacciones superficiales.

Finalmente, la cronopotenciometría se realiza en una serie de pasos de corriente, donde se especifica una corriente durante un cierto período de tiempo. Cada vez que la corriente cambia de cero a la corriente de trabajo, hay un cambio asintótico inicial en el potencial, seguido de un estado estacionario. Después de cada ciclo de encendido/apagado, el material catalizador estable requiere el mismo sobrepotencial para impulsar la corriente especificada.

Las mediciones electroquímicas con un potenciostato se utilizan ampliamente en el análisis y la fabricación.

La electroquímica se utiliza para analizar la unión de las moléculas de la sonda a los electrodos. En este ejemplo, los electrodos se modelaron dentro de canales microfluídicos y se funcionalizaron con ADN monocatenario. Cuando el ADN se hibridó con la hebra complementaria, el par redox se bloqueó en la superficie del electrodo.

A continuación, se midió la hibridación del ADN conectando los electrodos al potenciostato utilizando tres electrodos de sonda.

Las mediciones de impedancia, una medida de la resistencia al flujo de corriente, mostraron que el aumento de la concentración de ADN complementario resultó en un aumento de la impedancia y, por lo tanto, en un aumento de la hibridación.

A continuación, se utilizaron procesos electroquímicos para monitorizar y caracterizar el crecimiento de biopelículas en un electrodo. Para ello, se ensambló una celda de tres electrodos, siendo el electrolito el caldo de la celda.

El crecimiento de la biopelícula se monitoreó mediante cronoamperometría, con el fin de lograr una medición exacta y condiciones de cultivo reproducibles.

Las técnicas electroquímicas también se pueden utilizar en la fabricación de películas delgadas y capas en la superficie de un electrodo. Las señales eléctricas desencadenan entornos localizados en la superficie del electrodo, lo que puede inducir el autoensamblaje de los materiales.

En este ejemplo, la deposición de biomateriales se realizó mediante electrodeposición. El quitosano, un biopolisacárido, se somete a una transición sol-gel en la superficie del electrodo, creando una película.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la potenciometría. Ahora debería comprender cómo configurar una celda típica de tres electrodos y realizar pruebas electroquímicas básicas.

¡Gracias por mirar!