Mesures électrochimiques d'un catalyseur sur support à l'aide d'un potentiostat / galvanostat

Un potentiostat-galvanostat est l’instrument le plus couramment utilisé dans la caractérisation électrochimique et est utilisé pour comprendre l’effet des changements électriques sur une réaction chimique.

Un potentiostat-galvanostat est un instrument utilisé dans les systèmes électrochimiques. Il mesure le courant à un potentiel appliqué en mode potentiostat, ou vice versa en mode galvanostat. Pour simplifier, l’instrument est communément appelé potentiostat.

Les réactions d’oxydoréduction, ou redox, se produisent à la surface d’une électrode et impliquent le transfert d’électrons. En particulier, la perte d’électrons chez une espèce chimique est le cas de l’oxydation, ou le gain d’électrons dans le cas de la réduction. Cet événement redox peut être induit par un potentiel appliqué, E, également appelé tension.

Cette vidéo montre la configuration et la performance des tests électrochimiques à l’aide d’un potentiostat.

Dans la plupart des cas, les événements redox sont couplés à un potentiostat via une pile à trois électrodes. La pile à trois électrodes se compose d’une électrode de travail, d’une contre-électrode ou d’une électrode auxiliaire et d’une électrode de référence. L’électrode de travail est l’endroit où se produit la réaction d’intérêt, et la contre-électrode est utilisée pour compléter le circuit électrique.

Un potentiel appliqué est mesuré par rapport à l’électrode de référence, qui contient un système redox avec un potentiel d’électrode connu et stable, E. Les électrodes de référence courantes sont l’électrode de calomel saturée et l’électrode d’hydrogène réversible, qui sont utilisées à des fins d’étalonnage. L’électrode Ag/AgCl est couramment utilisée dans les essais électrochimiques et est interfacée avec la solution d’électrolyte via une fritte poreuse.

La pile électrochimique est remplie d’une solution électrolytique à haute force ionique, telle qu’une solution acide, alcaline ou saline. La solution électrolytique empêche l’accumulation de charge au niveau des électrodes.

Dans une expérience électrochimique, le potentiel, le courant, le temps et la charge peuvent tous être manipulés ou mesurés par le potentiostat. Lorsque l’électrode de travail agit comme la cathode, les électrons circulent de la contre-électrode à l’électrode de travail. Les ions chargés positivement, ou cations, s’écoulent vers la cathode. L’inverse est vrai lorsque l’électrode de travail agit comme l’anode. Les ions chargés négativement, ou anions, s’écoulent vers l’anode.

En sélectionnant les paramètres manipulés et mesurés, un certain nombre de techniques de mesure sont possibles. La chronoampérométrie est une technique dans laquelle une étape de potentiel est appliquée à l’électrode de travail, et le changement de courant qui en résulte est mesuré en fonction du temps. Lorsqu’un pas de potentiel est suffisamment grand pour provoquer une réaction électrochimique au niveau de l’électrode de travail, le courant change. Cette technique peut être utilisée pour de nombreuses applications, telles que la détermination des coefficients de diffusion dans la cinétique de réaction.

De même, la chronopotentiométrie est une technique dans laquelle un courant constant ou varié est appliqué, et le potentiel est mesuré en fonction du temps. Le courant appliqué provoque l’oxydation ou la réduction des espèces électroactives à une certaine vitesse. Cette technique est utilisée pour une gamme d’applications, telles que la détermination de la progression de la réaction.

La voltampérométrie mesure le courant anodique et cathodique par rapport à un balayage de potentiel appliqué. Cette mesure examine l’ajout ou la suppression d’électrons d’une espèce chimique lors de l’augmentation ou de la diminution du potentiel à un taux constant. La voltampérométrie cyclique, ou CV, est abordée en profondeur séparément dans une autre vidéo de cette collection.

Maintenant que les bases de la voltampérométrie ont été couvertes, la préparation d’une cellule à trois électrodes et d’une électrode de travail avec un catalyseur lié à la surface sera démontrée en laboratoire. Dans cette démonstration, on préparera et mesurera l’encre catalytique, qui consiste en des nanoparticules de platine dans un support en noir de carbone, avec un liant au nafion. Ce système est représentatif de la recherche actuelle sur les piles à combustible et les batteries.

Pour commencer, pesez 7,5 mg de catalyseur métal/noir de carbone dans une hotte et ajoutez-le dans un flacon en verre. Diluez le catalyseur avec 1 mL d’eau et ajoutez-y 100 ? L’huile de Nafion 117, puis bouchez le flacon.

Soniquer le mélange sur de la glace pendant au moins 10 min pour assurer une dispersion uniforme et un mélange complet du support de noir de carbone avec le Nafion. Pendant que l’encre sonique, préparez l’électrode de travail, qui est un disque de carbone vitreux de 3 mm.

Nettoyez et polissez l’électrode en la frottant doucement dans un mouvement circulaire tourbillonnant sur un tampon souple recouvert d’une solution d’alumine colloïdale de 0,05 μm. Après le polissage, rincez copieusement l’électrode avec de l’eau déminéralisée pour enlever l’alumine.

Ensuite, 7 ml d’encre sont versés sur l’électrode de carbone vitreux polie et orientée verticalement. Séchez l’électrode de travail sous vide à température ambiante. Ensuite, séchez-le à 80 ?? C pour une heure si les nanoparticules du catalyseur sont stables dans l’air.

Tout d’abord, remplissez la cellule électrochimique en verre avec 10 ml d’électrolyte. Coiffez la cellule électrochimique avec un capuchon en téflon avec des ouvertures pour les trois électrodes. Dégazez l’électrolyte pendant au moins 30 minutes avec de l’azote gazeux de très haute pureté afin d’éliminer l’oxygène redox actif. Laissez l’azote bouillonner légèrement tout au long de l’expérience.

Retirez l’électrode de référence Ag/AgCl de sa solution de stockage de NaCl 3 M. Rincez abondamment l’électrode avec de l’eau déminéralisée et placez-la dans la cellule électrochimique.

Ensuite, rincez la contre-électrode en fil de platine et l’électrode de travail séchée avec de l’eau désionisée et insérez-les dans la cellule. Assurez-vous que les électrodes ne se touchent pas. Allumez le potentiostat et connectez les fils aux électrodes de référence et de compte-électrodes.

Effectuez au moins 20 cycles de conditionnement en exécutant des balayages voltélectrométriques cycliques entre les limites de potentiel supérieure et inférieure à 50 mV par seconde. Cette étape permet de s’assurer que les surfaces des électrodes sont complètement hydratées.

La voltampérométrie à balayage linéaire, ou LSV, peut être effectuée en spécifiant les potentiels initial et final, ainsi que la vitesse de balayage. Le taux de balayage pour le VBV est généralement inférieur à celui du CV. Le résultat est un graphique du potentiel en fonction du courant avec des événements d’oxydation ou de réduction visualisés sous forme de pics dans le balayage. Dans ce cas, le perchlorate dans l’électrolyte a été réduit à la surface du catalyseur lors du balayage cathodique.

Pour effectuer une chronoampérométrie, sélectionnez-la comme technique, puis spécifiez le potentiel fixe ainsi que le temps. Le résultat est un graphique du courant en fonction du temps. La décroissance initiale est due à la décharge capacitive, tandis que la partie à l’état stationnaire est essentiellement une ligne droite. La chronoampérométrie est potentiostatique et donc, après la décroissance asymptotique initiale des effets capacitifs, le courant attribué aux réactions de surface peut être isolé.

Enfin, la chronopotentiométrie est effectuée en une série d’étapes de courant, où un courant est spécifié pendant une certaine durée. Chaque fois que le courant passe de zéro au courant de travail, il y a un changement asymptotique initial de potentiel, suivi d’un état stationnaire. Après chaque cycle marche/arrêt, le matériau catalytique stable nécessite le même surpotentiel pour piloter le courant spécifié.

Les mesures électrochimiques à l’aide d’un potentiostat sont largement utilisées dans l’analyse et la fabrication.

L’électrochimie est utilisée pour analyser la liaison des molécules de sonde aux électrodes. Dans cet exemple, les électrodes ont été modelées dans des canaux microfluidiques et fonctionnalisées avec de l’ADN simple brin. Lorsque l’ADN a été hybridé avec le brin complémentaire, le couple redox a été bloqué à la surface de l’électrode.

L’hybridation de l’ADN a ensuite été mesurée en connectant les électrodes au potentiostat à l’aide de trois électrodes de sonde.

Les mesures d’impédance, une mesure de la résistance à l’écoulement du courant, ont montré que l’augmentation de la concentration d’ADN complémentaire entraînait une augmentation de l’impédance, et donc une hybridation accrue.

Ensuite, des procédés électrochimiques ont été utilisés pour surveiller et caractériser la croissance des biofilms sur une électrode. Pour cela, une cellule à trois électrodes a été assemblée, l’électrolyte étant le bouillon de la cellule.

La croissance du biofilm a été suivie à l’aide de la chronoampérométrie, afin d’obtenir une mesure précise et des conditions de culture reproductibles.

Les techniques électrochimiques peuvent également être utilisées dans la fabrication de couches minces et de couches sur la surface d’une électrode. Les signaux électriques déclenchent des environnements localisés à la surface de l’électrode, ce qui peut induire l’auto-assemblage des matériaux.

Dans cet exemple, le dépôt de biomatériaux a été effectué à l’aide d’électrodéposition. Le chitosane, un biopolysaccharide, subit une transition sol-gel à la surface de l’électrode, créant ainsi un film.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la potentiométrie. Vous devriez maintenant comprendre comment configurer une cellule à trois électrodes typique et effectuer des tests électrochimiques de base.

Merci d’avoir regardé !