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Analytical Chemistry

Misurazioni elettrochimiche di catalizzatori supportati mediante l'utilizzo di un potenziometro/galvanometro

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Electrochemical Measurements of Supported Catalysts Using a Potentiostat/Galvanostat

3.10: Ion-Exchange Chromatography

3.15: Cyclic Voltammetry (CV)

51,172 Views

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10:38 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratorio del Dr. Yuriy Román — Massachusetts Institute of Technology

Un potenziostato/galvanostato (spesso indicato semplicemente come potenziostato) è uno strumento che misura la corrente a un potenziale applicato (operazione potenziostatica) o misura il potenziale a una corrente applicata (operazione galvanostatica) (Figura 1). È lo strumento più comunemente utilizzato nella caratterizzazione elettrochimica di materiali anodici e catodici per celle a combustibile, elettrolizzatori, batterie e supercondensatori.

Convenzionalmente, questi materiali anodici e catodici sono interfacciati con un potenziostato tramite una cella elettrochimica a tre elettrodi. Le derivazione dell’elettrodo dal potenziostato sono collegate all’elettrodo di riferimento, al controelettrodo (spesso chiamato elettrodo ausiliario) e all’elettrodo di lavoro (che contiene il materiale di prova di interesse). La cella elettrochimica viene quindi riempita con una soluzione elettrolitica ad alta forza ionica, come una soluzione acida, alcalina o salina. Il supporto per questa soluzione ad alta resistenza ionica è tipicamente acquoso; tuttavia, per le applicazioni che richiedono finestre a più alto potenziale di cella operativa, come batterie e supercondensatori, vengono spesso utilizzati supporti non acquosi. Il mezzo cellulare viene degassato con un gas inerte (per evitare reazioni collaterali indesiderate) o con un gas di prova (se la reazione di prova coinvolge un gas in uno degli elettrodi).

In alternativa, un ponte salino o una membrana viene impiegato per mantenere il contatto ionico se le due semicelle devono essere misurate in elettroliti diversi. Nell’elettrocatalisi eterogenea, questo tipo di cella “a due compartimenti” viene spesso utilizzata se la molecola di prova all’elettrodo di lavoro è anche reattiva al controelettrodo. Ciò accade frequentemente poiché il controelettrodo tipicamente impiegato è il platino, che è un catalizzatore altamente attivo per molte reazioni. Qui verranno utilizzate celle a compartimento singolo, in cui tutti e tre gli elettrodi si trovano nello stesso supporto.

Questo video spiegherà il processo di lucidatura di un elettrodo funzionante, la preparazione di un inchiostro catalizzatore, il montaggio dell’inchiostro catalizzatore sull’elettrodo funzionante, la preparazione della cella elettrochimica e quindi l’esecuzione di misurazioni elettrochimiche. Le misurazioni eseguite includono: voltammetria ciclica (CV), voltammetria lineare a sweep (LSV), cronopotenziometria (CP) e cronoamperometria (CA).

Figura 1. Un esempio di cella elettrochimica a compartimento singolo. a.) Tappo in teflon, b.) cella di vetro, c.) Pt filo contro elettrodo, d.) elettrodo di lavoro, e.) Elettrodo di riferimento Ag/AgCl, f.) 0,5 M soluzione acquosa di elettrolita di acido solforico.

Principles

Il potenziostato può essere utilizzato per applicare un potenziale anodico o catodico costante all’elettrodo di lavoro e misurare la corrente anodica o catodica risultante (cronoamperometria) o il potenziostato può essere azionato galvanostaticamente tramite un circuito di controllo di feedback e applicare una corrente anodica o catodica costante con il potenziale misurato che varia nel tempo per mantenere questa corrente applicata (cronopotenziometria). In alternativa, lo spazio potenziale può essere esplorato con il tempo usando la voltammetria ciclica o la voltammetria lineare per misurare i potenziali anodici e catodici rispetto a una velocità di scansione potenziale applicata (la derivata del potenziale rispetto al tempo).

In tutte queste tecniche, anche durante il funzionamento galvanostatico, il potenziostato controlla il potenziale applicato e misura il flusso di elettroni da (a) l’elettrodo di lavoro a (da) il controelettrodo quando l’elettrodo di lavoro agisce come anodo (catodo). Il potenziale applicato viene fatto riferimento all’elettrodo di riferimento, che contiene un sistema redox (come un elettrodo di cloruro d’argento o un elettrodo di calomela saturo) con un potenziale noto e stabile che viene interfacciato con la soluzione elettrolitica tramite una fritta porosa. Durante il normale funzionamento, il potenziostato aspira una corrente trascurabile ma diversa da zero attraverso l’elettrodo di riferimento in modo che un potenziale accurato possa essere applicato all’elettrodo di lavoro. Mentre il potenziostato misura il flusso di elettroni da o verso una mezza reazione alla successiva, la soluzione elettrolitica completa il circuito impedendo l’accumulo di carica all’anodo o al catodo.

Procedure

1. Inchiostro catalizzatore e preparazione dell’elettrodo di lavoro

Precauzioni di sicurezza: I metalli supportati sul nerofumo devono essere maneggiati in una cappa aspirante o in un involucro di bilanciamento fino a quando non è in forma di sospensione poiché queste polveri sono rischi per inalazione.

Utilizzando una bilancia chiusa, pesare 5-10 mg di catalizzatore metallo/nerofumo e aggiungere a un flaconcino di vetro con un tappo.
Utilizzando una micropipetta, diluire il catalizzatore con acqua in modo tale che la concentrazione finale sia di 7,5 mg di catalizzatore per ml di acqua.
Durante la sonicazione, 100 μL di soluzione di Nafion 117 per mL di acqua vengono aggiunti alla sospensione.
L’inchiostro deve essere sonicato per almeno 10 minuti per garantire una dispersione uniforme e la completa miscelazione del supporto nerofumo con l’agente legante.
Mentre l’inchiostro è sonicante, un elettrodo a disco di carbonio vetroso da 3 mm deve essere pulito e lucidato strofinandolo con un movimento circolare vorticoso su un cuscinetto di allumina morbida coperto con una soluzione di allumina da 0,05 μm. Dovrebbe quindi essere risciacquato abbondantemente con acqua per rimuovere l’allumina.
Successivamente, 7 μL di inchiostro vengono gocciolati su un elettrodo a disco di carbonio vetroso da 3 mm lucidato e orientato verticalmente. L’elettrodo di lavoro viene quindi essiccato a 80 °C per 1 ora se il catalizzatore è stabile all’aria o evaporato sotto un vuoto debole per 30 minuti se il catalizzatore è sensibile all’aria.

2. Preparazione delle celle elettrochimiche

Precauzioni di sicurezza: Guanti, labcoat e occhiali di sicurezza devono essere sempre indossati, ma è particolarmente importante per lavorare con la soluzione di acido solforico. Se qualche goccia di soluzione si rovescia sui polsi, deve essere lavata con acqua e sapone per 15 minuti. Per le fuoriuscite maggiori, la rimozione degli indumenti contaminati e l’uso del lavaggio oculare o delle docce devono essere utilizzati per 15 minuti seguiti da una consultazione medica. I cavi elettrici non devono essere toccati una volta posizionati sulla cella elettrochimica.

Una cella di vetro viene riempita con 10 mL di 0,5 M H₂SO₄ e degassata per almeno 30 minuti con un flusso di azoto ad altissima purezza
I tappi in teflon delle celle elettrochimiche hanno 3 porte per l’elettrodo di lavoro, il controelettrodo e l’elettrodo di riferimento
L’elettrodo di riferimento Ag/AgCl viene rimosso dalla sua soluzione di 1 M KCl, risciacquato accuratamente con acqua DI e quindi inserito nella cella.
Il controelettrodo a filo di platino platinizzato viene risciacquato accuratamente con acqua DI e quindi inserito nella cella.
L’elettrodo di lavoro essiccato viene risciacquato con acqua DI e quindi inserito nella cella.
Il potenziostato è acceso.
Il cavo dell’elettrodo bianco viene collegato per primo e collegato all’elettrodo di riferimento.
Il cavo dell’elettrodo rosso viene quindi collegato all’elettrodo del contatore del filo Pt.
Il cavo dell’elettrodo verde viene quindi collegato all’elettrodo di lavoro metallo/nero carbonio.
Un piccolo flusso di spurgo N₂ viene lasciato continuamente gorgogliare nell’elettrolita.
Assicurarsi che nessun cavo si tocchi e che non vi sia alcun contatto elettrico diretto tra i 3 elettrodi se non con l’elettrolita 0,5 M H₂SO_4.

3. Analisi elettrochimica

Dopo aver acceso il potenziostato, eseguire almeno 20 cicli di condizionamento tra 0 e 0,4 V rispetto a RHE a 50 mV/s utilizzando CV. Questo viene eseguito scegliendo CV come tecnica e inserendo i limiti di potenziale superiore e inferiore, nonché la velocità di scansione.
La voltammetria a sweep lineare (LSV) può quindi essere eseguita scegliendo LSV come tecnica e specificando un potenziale iniziale, un potenziale finale e una velocità di scansione. La velocità di scansione per LSV è in genere molto inferiore a CV, di solito 1 – 2 mV / s in modo che le correnti capacitive diventino molto più basse delle correnti derivanti da reazioni superficiali faradaiche
La cronoamperometria (CA) viene eseguita scegliendo CA o “Curva amperometrica i-t” come tecnica e specificando il potenziale fisso e il periodo di tempo in cui lo strumento deve contenere l’elettrodo di lavoro come potenziale fisso.
La cronopotenziometria (CP) viene eseguita scegliendo CP come tecnica. CP può essere eseguito in una serie di passaggi correnti in cui una corrente viene specificata per un certo periodo di tempo seguita da una nuova corrente per un determinato periodo di tempo. Queste correnti applicate possono coprire sia correnti anodiche che catodiche all’interno della stessa misurazione CP.
Al termine dell’analisi elettrochimica, spegnere il potenziostato.
Scollegare i conduttori dell’elettrodo e conservarli in un luogo asciutto lontano da liquidi per evitare la corrosione.
Rimuovere l’elettrodo di riferimento e risciacquare con abbondanti quantità di acqua DI. Quindi riportare l’elettrodo di riferimento direttamente alla sua soluzione di stoccaggio da 1 M KCl. La punta di questo elettrodo non dovrebbe mai essere lasciata asciugare.
Rimuovere il contatore di fili Pt e risciacquare abbondantemente con acqua DI
Rimuovere l’elettrodo di lavoro e risciacquare abbondantemente con acqua DI e quindi utilizzare un Kimwipe con acetone per rimuovere facilmente l’inchiostro catalizzatore essiccato dalla superficie dell’elettrodo di lavoro. Si consiglia di lucidare gli elettrodi immediatamente dopo l’uso.
Disattivare lo spurgo N_2.
Svuotare l’elettrolita usato in un contenitore di rifiuti acido. Risciacquare la cella di vetro e il cappuccio in teflon con abbondanti quantità di acqua DI.

Un potenziostato-galvanostato è lo strumento più comunemente usato nella caratterizzazione elettrochimica e viene utilizzato per comprendere l’effetto dei cambiamenti elettrici su una reazione chimica.

Un potenziostato-galvanostato è uno strumento utilizzato nei sistemi elettrochimici. Misura la corrente a un potenziale applicato in modalità potenziostato, o viceversa in modalità galvanostato. Per semplicità, lo strumento è comunemente chiamato potenziostato.

Le reazioni di ossido-riduzione, o redox, avvengono sulla superficie di un elettrodo e comportano il trasferimento di elettroni. In particolare, la perdita di elettroni in una specie chimica è il caso dell’ossidazione, o il guadagno di elettroni nel caso della riduzione. Questo evento redox può essere indotto da un potenziale applicato, E, chiamato anche tensione.

Questo video dimostrerà l’configurare e le prestazioni dei test elettrochimici utilizzando un potenziostato.

Nella maggior parte dei casi, gli eventi redox sono accoppiati a un potenziostato tramite una cella a tre elettrodi. La cella a tre elettrodi è costituita da un elettrodo funzionante, un elettrodo contatore o ausiliario e un elettrodo di riferimento. L’elettrodo di lavoro è dove si verifica la reazione di interesse e il controelettrodo viene utilizzato per completare il circuito elettrico.

Un potenziale applicato viene misurato rispetto all’elettrodo di riferimento, che contiene un sistema redox con un potenziale dell’elettrodo noto e stabile, E. Gli elettrodi di riferimento comuni sono l’elettrodo di calomela saturo e l’elettrodo di idrogeno reversibile, che vengono utilizzati per scopi di calibrazione. L’elettrodo Ag/AgCl è comunemente usato nei test elettrochimici ed è interfacciato con la soluzione elettrolitica tramite una fritta porosa.

La cella elettrochimica viene riempita con una soluzione elettrolitica ad alta resistenza ionica, come una soluzione acida, alcalina o salina. La soluzione elettrolitica impedisce l’accumulo di carica agli elettrodi.

In un esperimento elettrochimico, potenziale, corrente, tempo e carica possono essere tutti manipolati o misurati dal potenziostato. Quando l’elettrodo di lavoro agisce come catodo, gli elettroni fluiscono dal controelettrodo all’elettrodo di lavoro. Ioni caricati positivamente, o cationi, fluiscono verso il catodo. Il contrario è vero quando l’elettrodo funzionante agisce come anodo. Ioni caricati negativamente, o anioni, fluiscono verso l’anodo.

Selezionando i parametri manipolati e misurati, sono possibili diverse tecniche di misurazione. La cronoamperometria è una tecnica in cui un passo potenziale viene applicato all’elettrodo di lavoro e il cambiamento di corrente risultante viene misurato in funzione del tempo. Quando un passo potenziale è abbastanza grande da causare una reazione elettrochimica all’elettrodo di lavoro, la corrente cambia. Questa tecnica può essere utilizzata per molte applicazioni, come la determinazione dei coefficienti di diffusione nella cinetica di reazione.

Allo stesso modo, la cronopotenziometria è una tecnica in cui viene applicata una corrente costante o variabile e il potenziale viene misurato in funzione del tempo. La corrente applicata fa sì che le specie elettroattive vengano ossidate o ridotte ad un certo ritmo. Questa tecnica viene utilizzata per una vasta gamma di applicazioni, come la determinazione del progresso della reazione.

La voltammetria misura la corrente anodica e catodica rispetto a una potenziale sweep applicata. Questa misurazione esamina l’aggiunta o la rimozione di elettroni da una specie chimica durante l’aumento o la diminuzione del potenziale a un ritmo costante. La voltammetria ciclica, o CV, è trattata in profondità separatamente in un altro video di questa raccolta.

Ora che le basi della voltammetria sono state trattate, la preparazione di una cella a tre elettrodi e di un elettrodo funzionante con un catalizzatore legato alla superficie sarà dimostrata in laboratorio. In questa dimostrazione, verrà preparato e misurato l’inchiostro catalizzatore, che consiste in nanoparticelle di platino in un supporto nerofumo, con un agente legante Nafion. Questo sistema è rappresentativo dell’attuale ricerca sulle celle a combustibile e sulle batterie.

Per iniziare, pesare 7,5 mg di catalizzatore metallo/nero carbonio in una cappa aspirante e aggiungerlo a una fiala di vetro. Diluire il catalizzatore con 1 mL di acqua e aggiungere 100 μL di Nafion 117, quindi tappare il flaconcino.

Sonicare la miscela su ghiaccio per almeno 10 minuti per garantire una dispersione uniforme e la completa miscelazione del supporto nerofumo con il Nafion. Mentre l’inchiostro sta sonicando, preparare l’elettrodo di lavoro, che è un disco di carbonio vetroso da 3 mm.

Pulire e lucidare l’elettrodo strofinandolo delicatamente con un movimento vorticoso e circolare su un cuscinetto morbido coperto con una soluzione di allumina colloidale da 0,05 μm. Dopo la lucidatura, sciacquare abbondantemente l’elettrodo con acqua deionizzata per rimuovere l’allumina.

Successivamente, 7 mL di inchiostro vengono gocciolati sull’elettrodo di carbonio vetroso lucido e orientato verticalmente. Asciugare l’elettrodo di lavoro sotto vuoto a temperatura ambiente. Quindi asciugarlo a 80 °C per un’ora se le nanoparticelle del catalizzatore sono stabili all’aria.

In primo luogo, riempire la cella elettrochimica di vetro con 10 ml di elettrolita. Tappare la cella elettrochimica con un tappo in Teflon con aperture per i tre elettrodi. Degassare l’elettrolita per almeno 30 minuti con gas azoto ad altissima purezza al fine di rimuovere l’ossigeno redox-attivo. Lasciare che l’azoto bolle leggermente durante l’esperimento.

Rimuovere l’elettrodo di riferimento Ag/AgCl dalla sua soluzione di stoccaggio NaCl da 3 M. Risciacquare accuratamente l’elettrodo con acqua deionizzata e inserirlo nella cella elettrochimica.

Quindi, sciacquare l’elettrodo contatore del filo di platino e l’elettrodo di lavoro essiccato con acqua deionizzata e inserirli nella cella. Assicurarsi che gli elettrodi non si tocchino. Accendere il potenziostato e collegare i cavi agli elettrodi di riferimento e di controelettrodo.

Eseguire almeno 20 cicli di condizionamento eseguendo scansioni voltammetriche cicliche tra i limiti di potenziale superiore e inferiore a 50 mV al secondo. Questo passaggio garantisce che le superfici dell’elettrodo siano completamente idratate.

La voltammetria di sweep lineare, o LSV, può essere eseguita specificando i potenziali iniziali e finali e la velocità di scansione. La velocità di scansione per LSV è in genere inferiore a quella per CV. Il risultato è un grafico di potenziale vs corrente con eventi di ossidazione o riduzione visualizzati come picchi nella scansione. In questo caso, il perclorato nell’elettrolita è stato ridotto sulla superficie del catalizzatore nella scansione catodica.

Per eseguire la cronoamperometria, selezionarla come tecnica, quindi specificare il potenziale fisso e il tempo. Il risultato è un grafico di corrente vs. tempo. Il decadimento iniziale è dovuto alla scarica capacitiva, mentre la porzione di stato stazionario è essenzialmente una linea retta. La cronoamperometria è potenziostatica e quindi dopo il decadimento asintotico iniziale degli effetti capacitivi, la corrente attribuita alle reazioni superficiali può essere isolata.

Infine, la cronopotenziometria viene eseguita in una serie di passaggi correnti, in cui una corrente viene specificata per un certo periodo di tempo. Ogni volta che la corrente passa da zero alla corrente di lavoro, c’è un cambiamento asintotico iniziale nel potenziale, seguito da uno stato stazionario. Dopo ogni ciclo di on/off, il materiale catalizzatore stabile richiede lo stesso sovra-potenziale per guidare la corrente specificata.

Le misurazioni elettrochimiche con un potenziostato sono ampiamente utilizzate nell’analisi e nella fabbricazione.

L’elettrochimica viene utilizzata per analizzare il legame delle molecole della sonda agli elettrodi. In questo esempio, gli elettrodi sono stati modellati all’interno di canali microfluidici e funzionalizzati con DNA a singolo filamento. Quando il DNA è stato ibridato con il filamento complementare, la coppia redox è stata bloccata sulla superficie dell’elettrodo.

L’ibridazione del DNA è stata quindi misurata collegando gli elettrodi al potenziostato utilizzando tre elettrodi sonda.

Le misurazioni dell’impedenza, una misura della resistenza al flusso di corrente, hanno mostrato che l’aumento della concentrazione di DNA complementare ha comportato un aumento dell’impedenza e quindi una maggiore ibridazione.

Successivamente, sono stati utilizzati processi elettrochimici per monitorare e caratterizzare la crescita dei biofilm su un elettrodo. Per questo, è stata assemblata una cella a tre elettrodi, con l’elettrolita che è il brodo cellulare.

La crescita del biofilm è stata monitorata utilizzando la cronoamperometria, al fine di ottenere una misurazione esatta e condizioni di coltura riproducibili.

Le tecniche elettrochimiche possono anche essere utilizzate nella fabbricazione di film sottili e strati sulla superficie di un elettrodo. I segnali elettrici attivano ambienti localizzati sulla superficie dell’elettrodo, che possono indurre l’autoassemblaggio dei materiali.

In questo esempio, la deposizione di biomateriali è stata eseguita utilizzando l’elettrodeposizione. Il chitosano, un biopolisaccaride, subisce una transizione sol-gel sulla superficie dell’elettrodo, creando un film.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla potenziometria. Ora dovresti capire come impostare una tipica cella a tre elettrodi ed eseguire test elettrochimici di base.

Grazie per l’attenzione!

Results

Questa procedura si tradurrà in figure contenenti grafici di corrente misurata rispetto al potenziale per ciascuna delle quattro tecniche. Per convenzione per CV e LSV, i grafici saranno anche emessi come corrente misurata rispetto al potenziale, nonostante la realtà che si tratti di tecniche transitorie che misurano la corrente rispetto alla derivata temporale del potenziale.

Applications and Summary

CV, LSV, CP e CA sono tecniche indispensabili per determinare l’efficacia di nuovi materiali elettrodici per celle a combustibile, elettrolizzatori, batterie e supercondensatori, nonché per lo sviluppo di campi come l’ossidazione parziale selettiva o la riduzione di sostanze chimiche di base. Questi metodi consentono di determinare i sovrapotenziali delle reazioni su diversi materiali elettrodici rispetto ai loro potenziali di equilibrio termodinamico. Questi metodi consentono anche di determinare la capacità volumetrica o gravimetrica dei supercondensatori. Allo stesso modo, i tassi di carica / scarica degli elettrodi della batteria o dei supercondensatori possono essere determinati con queste tecniche. Queste tecniche consentono anche di determinare la caratterizzazione della stabilità elettrochimica dei materiali. Oltre a queste tecniche di base, le tecniche più avanzate includono la combinazione di tecniche potenziometriche con metodi in situ come IR e spettrometria di massa.

Transcript

A potentiostat-galvanostat is the most commonly used instrument in electrochemical characterization, and is used to understand the effect of electrical changes on a chemical reaction.

A potentiostat-galvanostat is an instrument used in electrochemical systems. It measures current at an applied potential in potentiostat mode, or vice versa in galvanostat mode. For simplicity, the instrument is commonly called a potentiostat.

Oxidation-reduction, or redox, reactions occur at an electrode surface and involve the transfer of electrons. In particular, the loss of electrons in a chemical species is the case of oxidation, or the gain of electrons in the case of reduction. This redox event can be induced by an applied potential, E, also called voltage.

This video will demonstrate the set up and performance of electrochemical tests using a potentiostat.

In most cases, redox events are coupled to a potentiostat via a three-electrode cell. The three-electrode cell consists of a working electrode, counter or auxiliary electrode, and reference electrode. The working electrode is where the reaction of interest occurs, and the counter electrode is used to complete the electrical circuit.

An applied potential is measured against the reference electrode, which contains a redox system with a known, stable electrode potential, E. Common reference electrodes are the saturated calomel electrode, and the reversible hydrogen electrode, which are used for calibration purposes. The Ag/AgCl electrode is commonly used in electrochemical tests, and is interfaced with the electrolyte solution via a porous frit.

The electrochemical cell is filled with a high ionic strength electrolyte solution, such as an acidic, alkaline, or salt solution. The electrolyte solution prevents charge buildup at the electrodes.

In an electrochemical experiment, potential, current, time, and charge can all be manipulated or measured by the potentiostat. When the working electrode is acting as the cathode, electrons flow from the counter electrode to the working electrode. Positively charged ions, or cations, flow to the cathode. The reverse is true when the working electrode is acting as the anode. Negatively charged ions, or anions, flow to the anode.

By selecting the manipulated and measured parameters, a number of measurement techniques are possible. Chronoamperometry is a technique where a potential step is applied to the working electrode, and the resulting current change is measured as a function of time. When a potential step is large enough to cause an electrochemical reaction at the working electrode, the current changes. This technique can be used for many applications, such as the determination of diffusion coefficients in reaction kinetics.

Similarly, chronopotentiometry is a technique where a constant or varied current is applied, and the potential is measured as a function of time. The applied current causes electroactive species to be oxidized or reduced at a certain rate. This technique is used for a range of applications, such as the determination of reaction progress.

Voltammetry measures anodic and cathodic current with respect to an applied potential sweep. This measurement examines the addition or removal of electrons from a chemical species during the increase or decrease of potential at a constant rate. Cyclic voltammetry, or CV, is covered in depth separately in another video in this collection.

Now that the basics of voltammetry have been covered, the preparation of a three-electrode cell and a working electrode with a surface bound catalyst will be demonstrated in the laboratory. In this demonstration, catalyst ink will be prepared and measured, which consists of platinum nanoparticles in a carbon black support, with a Nafion binding agent. This system is representative of current fuel cell and battery research.

To begin, weigh 7.5 mg of metal/carbon black catalyst in a fume hood, and add it to a glass vial. Dilute the catalyst with 1 mL of water and add 100 μL of Nafion 117, then cap the vial.

Sonicate the mixture on ice for at least 10 min to ensure uniform dispersion and complete mixing of the carbon black support with the Nafion. While the ink is sonicating, prepare the working electrode, which is a 3-mm glassy carbon disk.

Clean and polish the electrode by gently rubbing it in a swirling, circular motion on a soft pad covered with 0.05 μm colloidal alumina solution. After polishing, rinse the electrode copiously with deionized water to remove the alumina.

Next, 7 mL of ink is dripped onto the polished, vertically oriented glassy carbon electrode. Dry the working electrode under vacuum at room temperature. Then dry it at 80 °C for one hr if the catalyst nanoparticles are air stable.

First, fill the glass electrochemical cell with 10 mL of the electrolyte. Cap the electrochemical cell with a Teflon cap with openings for the three electrodes. De-gas the electrolyte for at least 30 min with ultra high purity nitrogen gas in order to remove redox-active oxygen. Allow the nitrogen to bubble lightly throughout the experiment.

Remove the Ag/AgCl reference electrode from its 3 M NaCl storage solution. Rinse the electrode thoroughly with deionized water, and place it into the electrochemical cell.

Next, rinse the platinum wire counter electrode and the dried working electrode with deionized water, and insert them into the cell. Ensure that the electrodes do not touch. Turn on the potentiostat, and connect the leads to the reference and counter electrodes.

Perform at least 20 conditioning cycles by running cyclic voltammetry scans between the upper and lower potential limits at 50 mV per second. This step ensures that the electrode surfaces are fully hydrated.

Linear sweep voltammetry, or LSV, can be performed by specifying the initial and final potentials, and the scan rate. The scan rate for LSV is typically less than that for CV. The result is a plot of potential vs. current with oxidation or reduction events visualized as peaks in the scan. In this case, the perchlorate in the electrolyte was reduced on the catalyst surface in the cathodic scan.

To perform chronoamperometry, select it as the technique, then specify the fixed potential as well as the time. The result is a plot of current vs. time. The initial decay is due to capacitive discharging, while the steady state portion is essentially a straight line. Chronoamperometry is potentiostatic and thus after the initial asymptotic decay of the capacitative effects, the current attributed to surface reactions can be isolated.

Finally, chronopotentiometry is performed in a series of current steps, where one current is specified for a certain length of time. Each time the current switches from zero to the working current, there is an initial asymptotic change in potential, followed by a steady state. After each on/off cycle, the stable catalyst material requires the same over-potential to drive the specified current.

Electrochemical measurements with a potentiostat are widely used in analysis and fabrication.

Electrochemistry is used to analyze the binding of probe molecules to electrodes. In this example, electrodes were patterned within microfluidic channels, and functionalized with single stranded DNA. When the DNA was hybridized with the complimentary strand, the redox couple was blocked at the electrode surface.

DNA hybridization was then measured by connecting the electrodes to the potentiostat using three probe electrodes.

Impedance measurements, a measure of the resistance to current flow, showed that increasing complimentary DNA concentration resulted in increased impedance, and therefore increased hybridization.

Next, electrochemical processes were used to monitor and characterize the growth of biofilms on an electrode. For this, a three-electrode cell was assembled, with the electrolyte being the cell broth.

The growth of the biofilm was monitored using chronoamperometry, in order to achieve an exact measurement and reproducible culture conditions.

Electrochemical techniques can also be used in the fabrication of thin films and layers on an electrode surface. Electrical signals trigger localized environments at the electrode surface, which can induce the self-assembly of materials.

In this example, the deposition of biomaterials was performed using electrodeposition. Chitosan, a biopolysaccharide, undergoes a sol-gel transition at the electrode surface, creating a film.

You’ve just watched JoVE’s introduction to potentiometry. You should now understand how to set up a typical three-electrode cell, and perform basic electrochemical tests.

Thanks for watching!

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Electrochemical Measurements Supported Catalysts Potentiostat Galvanostat Electrochemical Characterization Electrical Changes Redox Reactions Oxidation-reduction Electrode Surface Transfer Of Electrons Applied Potential Three-electrode Cell Working Electrode Counter Electrode Reference Electrode