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

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 ossidoriduzione, 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'impostazione e l'esecuzione 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 di lavoro, un controelettrodo o un elettrodo ausiliario e un elettrodo di riferimento. L'elettrodo di lavoro è il punto in cui avviene 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 elettrodico noto e stabile, E. Gli elettrodi di riferimento comuni sono l'elettrodo di calomelano 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 è riempita con una soluzione elettrolitica ad alta forza ionica, come una soluzione acida, alcalina o salina. La soluzione elettrolitica impedisce l'accumulo di carica sugli elettrodi.

In un esperimento elettrochimico, il potenziale, la corrente, il tempo e la carica possono essere manipolati o misurati dal potenziostato. Quando l'elettrodo di lavoro funge da catodo, gli elettroni fluiscono dal controelettrodo all'elettrodo di lavoro. Gli ioni caricati positivamente, o cationi, fluiscono verso il catodo. Il contrario è vero quando l'elettrodo di lavoro funge da anodo. Gli 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 viene applicato un passo di potenziale all'elettrodo di lavoro e la variazione di corrente risultante viene misurata in funzione del tempo. Quando un gradino di 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 variata e il potenziale viene misurato in funzione del tempo. La corrente applicata provoca l'ossidazione o la riduzione delle specie elettroattive a una certa velocità. Questa tecnica viene utilizzata per una serie di applicazioni, come la determinazione dell'avanzamento della reazione.

La voltammetria misura la corrente anodica e catodica rispetto a uno sweep di potenziale applicato. Questa misura esamina l'aggiunta o la rimozione di elettroni da una specie chimica durante l'aumento o la diminuzione del potenziale a una velocità costante. La voltammetria ciclica, o CV, è trattata in modo approfondito separatamente in un altro video di questa raccolta.

Ora che le basi della voltammetria sono state apprese, 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 di 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/nerofumo in una cappa aspirante e aggiungerlo a una fiala di vetro. Diluire il catalizzatore con 1 mL di acqua e aggiungere 100 ? L?di Nafion 117, quindi tappare la fiala.

Sonicare la miscela con ghiaccio per almeno 10 minuti per garantire una dispersione uniforme e una miscelazione completa del supporto in nerofumo con il Nafion. Mentre l'inchiostro è sonicante, 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 circolare vorticoso su un tampone morbido ricoperto di soluzione di allumina colloidale 0,05 μm. Dopo la lucidatura, sciacquare abbondantemente l'elettrodo con acqua deionizzata per rimuovere l'allumina.

Successivamente, 7 mL di inchiostro vengono fatti gocciolare 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.

Innanzitutto, riempire la cella elettrochimica di vetro con 10 mL di elettrolita. Chiudere la cella elettrochimica con un tappo in teflon con aperture per i tre elettrodi. Degassare l'elettrolita per almeno 30 minuti con azoto gassoso ad altissima purezza per rimuovere l'ossigeno redox-attivo. Lascia che l'azoto bolle leggermente durante l'esperimento.

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

Quindi, sciacquare il controelettrodo a 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 al contaelettrodo.

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 degli elettrodi siano completamente idratate.

La voltammetria a scansione lineare, o LSV, può essere eseguita specificando i potenziali iniziale e finale e la velocità di scansione. La velocità di scansione per LSV è in genere inferiore a quella per CV. Il risultato è un grafico del potenziale rispetto alla 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 della corrente rispetto al tempo. Il decadimento iniziale è dovuto alla scarica capacitiva, mentre la porzione in stato stazionario è essenzialmente una linea retta. La cronoamperometria è potenziostatica e quindi dopo l'iniziale decadimento asintotico degli effetti capacitivi, la corrente attribuita alle reazioni superficiali può essere isolata.

Infine, la cronopotenziometria viene eseguita in una serie di passi di corrente, in cui viene specificata una corrente per un certo periodo di tempo. Ogni volta che la corrente passa da zero alla corrente di lavoro, si verifica una variazione asintotica iniziale del potenziale, seguita da uno stato stazionario. Dopo ogni ciclo di accensione/spegnimento, il materiale del catalizzatore stabile richiede lo stesso sovrapotenziale per pilotare la corrente specificata.

Le misure 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 misure di 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 un aumento dell'ibridazione.

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

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

Le tecniche elettrochimiche possono essere utilizzate anche nella fabbricazione di film sottili e strati sulla superficie di un elettrodo. I segnali elettrici innescano 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. A questo punto è necessario comprendere come configurare una tipica cella a tre elettrodi ed eseguire test elettrochimici di base.

Grazie per l'attenzione!