$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
פוטנציוסטט-גלוונוסטט הוא המכשיר הנפוץ ביותר באפיון אלקטרוכימי, ומשמש להבנת ההשפעה של שינויים חשמליים על תגובה כימית.
פוטנציוסטט-גלוונוסטט הוא מכשיר המשמש במערכות אלקטרוכימיות. הוא מודד זרם בפוטנציאל מופעל במצב פוטנציוסטט, או להיפך במצב גלוונוסטט. לשם הפשטות, המכשיר נקרא בדרך כלל פוטנציוסטט.
תגובות חמצון-חיזור, או חיזור, מתרחשות על פני השטח של אלקטרודה וכוללות העברת אלקטרונים. בפרט, אובדן אלקטרונים במין כימי הוא מקרה של חמצון, או רווח אלקטרונים במקרה של הפחתה. אירוע חמצון חיזור זה יכול להיגרם על ידי פוטנציאל מופעל, E, הנקרא גם מתח.
סרטון זה ידגים את ההגדרה והביצועים של בדיקות אלקטרוכימיות באמצעות פוטנציוסטט.
ברוב המקרים, אירועי חמצון חיזור מחוברים לפוטנציוסטט באמצעות תא בעל שלוש אלקטרודות. תא שלוש האלקטרודות מורכב מאלקטרודה עובדת, אלקטרודת נגד או עזר ואלקטרודת ייחוס. האלקטרודה העובדת היא המקום שבו מתרחשת תגובת העניין, והאלקטרודה הנגדית משמשת להשלמת המעגל החשמלי.
פוטנציאל מיושם נמדד כנגד אלקטרודת הייחוס, המכילה מערכת חמצון חיזור עם פוטנציאל אלקטרודה ידוע ויציב, E. אלקטרודות ייחוס נפוצות הן אלקטרודת הקלומל הרוויה, ואלקטרודת המימן ההפיכה, המשמשות למטרות כיול. האלקטרודה Ag/AgCl משמשת בדרך כלל בבדיקות אלקטרוכימיות, והיא מתממשקת עם תמיסת האלקטרוליטים באמצעות פריט נקבובי.
התא האלקטרוכימי מלא בתמיסת אלקטרוליטים בעלת חוזק יוני גבוה, כגון תמיסת חומצה, אלקליין או מלח. תמיסת האלקטרוליטים מונעת הצטברות מטען באלקטרודות.
בניסוי אלקטרוכימי, הפוטנציאל, הזרם, הזמן והמטען ניתנים למניפולציה או למדוד על ידי הפוטנציוסטט. כאשר האלקטרודה העובדת פועלת כקתודה, אלקטרונים זורמים מהאלקטרודה הנגדית לאלקטרודה העובדת. יונים טעונים חיובית, או קטיונים, זורמים לקתודה. ההפך הוא הנכון כאשר האלקטרודה העובדת פועלת כאנודה. יונים טעונים שלילית, או אניונים, זורמים לאנודה.
על ידי בחירת הפרמטרים המניפולטיביים והנמדדים, מספר טכניקות מדידה אפשריות. כרונואמפרומטריה היא טכניקה שבה מוחל צעד פוטנציאלי על האלקטרודה העובדת, ושינוי הזרם המתקבל נמדד כפונקציה של זמן. כאשר צעד פוטנציאלי גדול מספיק כדי לגרום לתגובה אלקטרוכימית באלקטרודה העובדת, הזרם משתנה. ניתן להשתמש בטכניקה זו ליישומים רבים, כגון קביעת מקדמי דיפוזיה בקינטיקה של תגובה.
באופן דומה, כרונופוטנציומטריה היא טכניקה שבה מופעל זרם קבוע או מגוון, והפוטנציאל נמדד כפונקציה של זמן. הזרם המופעל גורם למינים אלקטרואקטיביים להתחמצן או להפחית בקצב מסוים. טכניקה זו משמשת למגוון יישומים, כגון קביעת התקדמות התגובה.
וולטמטריה מודדת זרם אנודי וקתודי ביחס לסריקת פוטנציאל מיושם. מדידה זו בוחנת הוספה או הסרה של אלקטרונים ממין כימי במהלך עלייה או ירידה של פוטנציאל בקצב קבוע. וולטמטריה מחזורית, או CV, מכוסה לעומק בנפרד בסרטון אחר באוסף זה.
כעת, לאחר שכוסו יסודות הוולטמטריה, תודגם במעבדה הכנת תא בעל שלוש אלקטרודות ואלקטרודה עובדת עם זרז קשור למשטח. בהדגמה זו יוכן וימדוד דיו זרז, המורכב מננו-חלקיקי פלטינה בתומך פחמן שחור, עם חומר מחייב Nafion. מערכת זו מייצגת את המחקר הנוכחי של תאי דלק וסוללות.
כדי להתחיל, שקלו 7.5 מ"ג של זרז מתכת/פחמן שחור במכסה אדים, והוסיפו אותו לבקבוקון זכוכית. מדללים את הזרז ב -1 מ"ל מים ומוסיפים 100 ? L?of Nafion 117, ואז מכסה את הבקבוקון.
סוניקציה של התערובת על קרח למשך 10 דקות לפחות כדי להבטיח פיזור אחיד וערבוב מלא של תומך הפחמן השחור עם ה-Nafion. בזמן שהדיו סוניקציה, הכינו את האלקטרודה העובדת, שהיא דיסק פחמן זכוכית בגודל 3 מ"מ.
נקו והבריקו את האלקטרודה על ידי שפשוף עדין בתנועה סיבובית ומסתחררת על כרית רכה המכוסה בתמיסת אלומינה קולואידית של 0.05 מ'. לאחר הליטוש יש לשטוף את האלקטרודה בשפע במים נטולי יונים כדי להסיר את האלומינה.
לאחר מכן, 7 מ"ל דיו מטפטפים על אלקטרודת הפחמן הזכוכית המלוטשת בכיוון אנכי. יבש את האלקטרודה העובדת בוואקום בטמפרטורת החדר. ואז לייבש אותו ב-80?? C למשך שעה אחת אם ננו-חלקיקי הזרז יציבים באוויר.?
ראשית, מלאו את התא האלקטרוכימי מזכוכית ב -10 מ"ל מהאלקטרוליט. מכסים את התא האלקטרוכימי במכסה טפלון עם פתחים לשלוש האלקטרודות. הסר גז מהאלקטרוליט למשך 30 דקות לפחות עם גז חנקן בטוהר גבוה במיוחד על מנת להסיר חמצן פעיל בחמצון. אפשרו לחנקן לבעבע קלות במהלך הניסוי.
הסר את אלקטרודת הייחוס Ag/AgCl מתמיסת האחסון 3 M NaCl שלה. שוטפים היטב את האלקטרודה במים נטולי יונים, ומכניסים אותה לתא האלקטרוכימי.
לאחר מכן, שטפו את האלקטרודה הנגדית של חוט הפלטינה ואת האלקטרודה המיובשת במים נטולי יונים, והכניסו אותם לתא. ודא שהאלקטרודות אינן נוגעות. הפעל את הפוטנציוסטט וחבר את המוליכים לאלקטרודות הייחוס והנגד.
בצע לפחות 20 מחזורי מיזוג על ידי הפעלת סריקות וולטמטריה מחזוריות בין גבולות הפוטנציאל העליונים והתחתונים ב-50 mV לשנייה. שלב זה מבטיח כי משטחי האלקטרודה מיובשים במלואם.
וולטמטריית סוויפ ליניארית, או LSV, יכולה להתבצע על ידי ציון הפוטנציאלים ההתחלתיים והסופיים, וקצב הסריקה. קצב הסריקה עבור LSV הוא בדרך כלל נמוך מזה של CV. התוצאה היא תרשים של פוטנציאל מול זרם עם אירועי חמצון או הפחתה המוצגים כפסגות בסריקה. במקרה זה, הפרכלורט באלקטרוליט הופחת על פני הזרז בסריקה הקתודית.
כדי לבצע כרונואמפרומטריה, בחר אותה כטכניקה, ולאחר מכן ציין את הפוטנציאל הקבוע כמו גם את השעה. התוצאה היא עלילה של הווה מול זמן. הדעיכה הראשונית נובעת מפריקה קיבולית, בעוד שחלק המצב היציב הוא בעצם קו ישר. כרונואמפרומטריה היא פוטנציוסטטית ולכן לאחר הדעיכה האסימפטוטית הראשונית של ההשפעות הקיבוליות, ניתן לבודד את הזרם המיוחס לתגובות פני השטח.
לבסוף, כרונופוטנציומטריה מבוצעת בסדרה של שלבים נוכחיים, כאשר זרם אחד מוגדר למשך זמן מסוים. בכל פעם שהזרם עובר מאפס לזרם העבודה, יש שינוי אסימפטוטי ראשוני בפוטנציאל, ואחריו מצב יציב. לאחר כל מחזור הפעלה/כיבוי, חומר הזרז היציב דורש את אותו פוטנציאל יתר כדי להניע את הזרם שצוין.
מדידות אלקטרוכימיות עם פוטנציוסטט נמצאות בשימוש נרחב בניתוח וייצור.
אלקטרוכימיה משמשת לניתוח קשירה של מולקולות בדיקה לאלקטרודות. בדוגמה זו, האלקטרודות עוצבו בתוך תעלות מיקרופלואידיות, ופונקצו עם DNA חד-גדילי. כאשר ה- DNA הוכלאה עם הגדיל המשלים, זוג החיזור נחסם על פני האלקטרודה.
לאחר מכן נמדדה הכלאת ה-DNA על ידי חיבור האלקטרודות לפוטנציוסטט באמצעות שלוש אלקטרודות בדיקה.
מדידות עכבה, מדד להתנגדות לזרימת זרם, הראו כי הגדלת ריכוז ה-DNA המשלים הביאה לעכבה מוגברת, ולכן הגבירה את ההכלאה.
לאחר מכן, נעשה שימוש בתהליכים אלקטרוכימיים כדי לנטר ולאפיין את הצמיחה של ביופילמים על אלקטרודה. לשם כך הורכב תא בעל שלוש אלקטרודות, כאשר האלקטרוליט הוא מרק התאים.
צמיחת הביופילם נוטרה באמצעות כרונואמפרומטריה, על מנת להשיג מדידה מדויקת ותנאי תרבית הניתנים לשחזור.
ניתן להשתמש בטכניקות אלקטרוכימיות גם בייצור סרטים דקים ושכבות על משטח אלקטרודה. אותות חשמליים מפעילים סביבות מקומיות על פני האלקטרודה, מה שיכול לגרום להרכבה עצמית של חומרים.
בדוגמה זו, התצהיר של ביו-חומרים בוצע באמצעות אלקטרודפוזיציה. צ'יטוזן, ביופוליסכריד, עובר מעבר סול-ג'ל על פני השטח של האלקטרודה, ויוצר סרט.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לפוטנציומטריה. כעת עליך להבין כיצד להגדיר תא טיפוסי בעל שלוש אלקטרודות ולבצע בדיקות אלקטרוכימיות בסיסיות.
תודה שצפית!
