1. Przygotowanie tuszu katalizatora i elektrody roboczej
Środki ostrożności: Metale na bazie sadzy muszą być przenoszone w dygestoria lub komorze balansującej, dopóki nie będą w formie zawiesiny, ponieważ proszki te stanowią zagrożenie dla wdychania.
2. Przygotowanie ogniwa elektrochemicznego
Środki ostrożności: Rękawice, fartuch laboratoryjny i okulary ochronne muszą być zawsze noszone, ale jest to szczególnie ważne podczas pracy z roztworem kwasu siarkowego. Jeśli krople roztworu rozleją się na nadgarstki, należy je myć wodą z mydłem przez 15 minut. W przypadku większych wycieków należy usunąć zanieczyszczoną odzież i skorzystać z płynu do płukania oczu lub prysznica przez 15 minut, a następnie skonsultować się z lekarzem. Nie należy dotykać przewodów elektrycznych po umieszczeniu ich na ogniwie elektrochemicznym.
3. Analiza elektrochemiczna
Źródło: Laboratorium dr. Yuriya Romána — Massachusetts Institute of Technology
Potencjostat/galwanostat (często określany po prostu jako potencjostat)…
1. Przygotowanie tuszu katalizatora i elektrody roboczej
Środki ostrożności: Metale na bazie sadzy muszą być przenoszone w dygestoria lub komorze balansującej, dopóki nie będą w formie zawiesiny, ponieważ proszki te stanowią zagrożenie dla wdychania.
2. Przygotowanie ogniwa elektrochemicznego
Środki ostrożności: Rękawice, fartuch laboratoryjny i okulary ochronne muszą być zawsze noszone, ale jest to szczególnie ważne podczas pracy z roztworem kwasu siarkowego. Jeśli krople roztworu rozleją się na nadgarstki, należy je myć wodą z mydłem przez 15 minut. W przypadku większych wycieków należy usunąć zanieczyszczoną odzież i skorzystać z płynu do płukania oczu lub prysznica przez 15 minut, a następnie skonsultować się z lekarzem. Nie należy dotykać przewodów elektrycznych po umieszczeniu ich na ogniwie elektrochemicznym.
3. Analiza elektrochemiczna
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Potencjostat-galwanostat jest najczęściej używanym instrumentem w charakterystyce elektrochemicznej i służy do zrozumienia wpływu zmian elektrycznych na reakcję chemiczną.
Potencjostat-galwanostat jest przyrządem stosowanym w układach elektrochemicznych. Mierzy prąd o przyłożonym potencjale w trybie potencjostatu lub odwrotnie w trybie galwanostatu. Dla uproszczenia instrument ten potocznie nazywany jest potencjostatem.
Reakcje utleniania-redukcji lub redoks zachodzą na powierzchni elektrody i obejmują przenoszenie elektronów. W szczególności utrata elektronów w związku chemicznym ma miejsce w przypadku utleniania lub zysku elektronów w przypadku redukcji. To zdarzenie redoks może być wywołane przez przyłożony potencjał, E, zwany również napięciem.
Ten film zademonstruje konfigurację i wydajność testów elektrochemicznych przy użyciu potencjostatu.
W większości przypadków zdarzenia redoks są sprzężone z potencjostatem za pomocą ogniwa trzyelektrodowego. Ogniwo trójelektrodowe składa się z elektrody roboczej, elektrody przeciwstawnej lub pomocniczej oraz elektrody odniesienia. Elektroda robocza to miejsce, w którym zachodzi reakcja będąca przedmiotem zainteresowania, a przeciwelektroda służy do zamknięcia obwodu elektrycznego.
Przyłożony potencjał jest mierzony w stosunku do elektrody odniesienia, która zawiera układ redoks o znanym, stabilnym potencjale elektrody, E. Typowymi elektrodami odniesienia są nasycona elektroda kalomelowa i odwracalna elektroda wodorowa, które są używane do celów kalibracji. Elektroda Ag/AgCl jest powszechnie stosowana w testach elektrochemicznych i jest połączona z roztworem elektrolitu za pomocą porowatej fryty.
Ogniwo elektrochemiczne jest wypełnione roztworem elektrolitu o wysokiej sile jonowej, takim jak roztwór kwaśny, zasadowy lub solny. Roztwór elektrolitu zapobiega gromadzeniu się ładunku na elektrodach.
W eksperymencie elektrochemicznym potencjał, prąd, czas i ładunek mogą być manipulowane lub mierzone przez potencjostat. Gdy elektroda robocza działa jak katoda, elektrony przepływają z przeciwelektrody do elektrody roboczej. Dodatnio naładowane jony lub kationy przepływają do katody. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy elektroda robocza działa jako anoda. Ujemnie naładowane jony lub aniony przepływają do anody.
Dzięki doborowi manipulowanych i mierzonych parametrów możliwe jest zastosowanie wielu technik pomiarowych. Chronoamperometria to technika, w której do elektrody roboczej przykładany jest krok potencjału, a wynikająca z tego zmiana prądu jest mierzona w funkcji czasu. Gdy krok potencjału jest wystarczająco duży, aby wywołać reakcję elektrochemiczną w elektrodzie roboczej, prąd ulega zmianie. Technika ta może być wykorzystywana do wielu zastosowań, takich jak wyznaczanie współczynników dyfuzji w kinetyce reakcji.
Podobnie chronopotencjometria jest techniką, w której stosuje się stały lub zmienny prąd, a potencjał jest mierzony w funkcji czasu. Przyłożony prąd powoduje, że formy elektroaktywne są utleniane lub redukowane w określonym tempie. Technika ta jest wykorzystywana do wielu zastosowań, takich jak określanie postępu reakcji.
Woltamperometria mierzy prąd anodowy i katodowy w odniesieniu do zastosowanego przemiatania potencjału. Pomiar ten bada dodawanie lub usuwanie elektronów z rodzaju chemicznego podczas wzrostu lub spadku potencjału w stałym tempie. Woltamperometria cykliczna, czyli CV, jest szczegółowo omówiona osobno w innym filmie z tej kolekcji.
Teraz, gdy podstawy woltamperometrii zostały już omówione, w laboratorium zostanie zademonstrowane przygotowanie ogniwa trójelektrodowego i elektrody roboczej z katalizatorem związanym powierzchniowo. W tej demonstracji zostanie przygotowany i zmierzony tusz katalityczny, który składa się z nanocząstek platyny w podłożu sadzy, ze środkiem wiążącym Nafion. System ten jest reprezentatywny dla obecnych badań nad ogniwami paliwowymi i akumulatorami.
Na początek zważ 7,5 mg katalizatora metal/sadza w dygestoriach i dodaj go do szklanej fiolki. Rozcieńczyć katalizator w 1 ml wody i dodać 100 ? L?of Nafion 117, a następnie zakręcić fiolkę.
Sonikować mieszaninę na lodzie przez co najmniej 10 minut, aby zapewnić równomierną dyspersję i całkowite wymieszanie nośnika sadzy z Nafionem. Podczas gdy atrament jest sonikowany, przygotuj elektrodę roboczą, która jest 3-milimetrowym szklistym krążkiem węglowym.
Oczyść i wypoleruj elektrodę, delikatnie pocierając ją wirującymi, okrężnymi ruchami po miękkiej podkładce pokrytej koloidalnym roztworem tlenku glinu o stężeniu 0,05 μm. Po wypolerowaniu obficie przepłucz elektrodę wodą dejonizowaną, aby usunąć tlenek glinu.
Następnie 7 ml tuszu kapie na wypolerowaną, pionowo zorientowaną szklistą elektrodę węglową. Wysuszyć elektrodę roboczą w próżni w temperaturze pokojowej. Następnie wysuszyć go w temperaturze 80?? C przez jedną godzinę, jeśli nanocząstki katalizatora są stabilne w powietrzu.?
Najpierw napełnij szklaną komórkę elektrochemiczną 10 ml elektrolitu. Przykryj ogniwo elektrochemiczne teflonową nasadką z otworami na trzy elektrody. Odgazuj elektrolit przez co najmniej 30 minut azotem gazowym o ultra wysokiej czystości w celu usunięcia tlenu aktywnego redoks. Pozwól, aby azot lekko bąbelkował przez cały czas trwania eksperymentu.
Wyjąć elektrodę referencyjną Ag/AgCl?z roztworu do przechowywania 3 M NaCl. Dokładnie wypłucz elektrodę wodą dejonizowaną i umieść ją w ogniwie elektrochemicznym.
Następnie przepłucz przeciwelektrodę z drutu platynowego i wysuszoną elektrodę roboczą wodą dejonizowaną i włóż je do ogniwa. Upewnij się, że elektrody się nie stykają. Włącz potencjostat i podłącz przewody do elektrody referencyjnej i przeciwelektrody.
Wykonaj co najmniej 20 cykli kondycjonowania, uruchamiając skanowanie woltamperometrii cyklicznej między górną i dolną granicą potencjału przy 50 mV na sekundę. Ten krok zapewnia, że powierzchnie elektrod są w pełni nawodnione.
Woltamperometrię liniową przemiatania (LSV) można przeprowadzić, określając potencjał początkowy i końcowy oraz szybkość skanowania. Szybkość skanowania w przypadku LSV jest zazwyczaj mniejsza niż w przypadku CV. Wynikiem jest wykres potencjału w funkcji prądu ze zdarzeniami utleniania lub redukcji wizualizowanymi jako piki na skanie. W tym przypadku nadchloran w elektrolicie został zredukowany na powierzchni katalizatora w skanowaniu katodowym.
Aby wykonać chronoamperometrię, wybierz ją jako technikę, a następnie określ stały potencjał, a także czas. Wynikiem jest wykres prądu w funkcji czasu. Początkowy zanik jest spowodowany rozładowaniem pojemnościowym, podczas gdy część w stanie ustalonym jest zasadniczo linią prostą. Chronoamperometria jest potencjostatyczna, a zatem po początkowym asymptotycznym zaniku efektów pojemnościowych można wyizolować prąd przypisywany reakcjom powierzchniowym.
Wreszcie chronopotencjometria jest wykonywana w serii kroków prądowych, w których jeden prąd jest określany na określony czas. Za każdym razem, gdy prąd przełącza się z zera na prąd roboczy, następuje początkowa asymptotyczna zmiana potencjału, po której następuje stan ustalony. Po każdym cyklu włączania/wyłączania stabilny materiał katalizatora wymaga tego samego nadmiaru potencjału do napędzania określonego prądu.
Pomiary elektrochemiczne za pomocą potencjostatu są szeroko stosowane w analizie i wytwarzaniu.
Elektrochemia służy do analizy wiązania cząsteczek sondy z elektrodami. W tym przykładzie elektrody zostały umieszczone w kanałach mikroprzepływowych i funkcjonalizowane jednoniciowym DNA. Kiedy DNA zostało zhybrydyzowane z nicią komplementarną, para redoks została zablokowana na powierzchni elektrody.
Hybrydyzacja DNA została następnie zmierzona poprzez podłączenie elektrod do potencjostatu za pomocą trzech elektrod sondowych.
Pomiary impedancji, miara oporu przepływu prądu, wykazały, że zwiększenie komplementarnego stężenia DNA spowodowało zwiększenie impedancji, a tym samym zwiększoną hybrydyzację.
Następnie wykorzystano procesy elektrochemiczne do monitorowania i charakteryzowania wzrostu biofilmów na elektrodzie. W tym celu zmontowano ogniwo z trzema elektrodami, przy czym elektrolitem był bulion z ogniw.
Wzrost biofilmu monitorowano za pomocą chronoamperometrii, aby uzyskać dokładny pomiar i powtarzalne warunki hodowli.
Techniki elektrochemiczne mogą być również stosowane do wytwarzania cienkich warstw i warstw na powierzchni elektrody. Sygnały elektryczne wyzwalają zlokalizowane środowiska na powierzchni elektrody, które mogą indukować samoorganizację materiałów.
W tym przykładzie osadzanie biomateriałów przeprowadzono za pomocą elektroosadzania. Chitozan, biopolisacharyd, ulega przemianie zol-żel na powierzchni elektrody, tworząc film.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do potencjometrii. Powinieneś teraz zrozumieć, jak skonfigurować typowe ogniwo trzyelektrodowe i wykonać podstawowe testy elektrochemiczne.
Dzięki za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between potentiostatic and galvanostatic operation?
In potentiostatic operation, the potentiostat applies a fixed potential and measures the resulting current. In galvanostatic operation, it applies a fixed current and measures the resulting potential. Both modes characterize electrochemical systems, with the choice depending on whether you need to control voltage or current during your experiment.
Q2: Why is a three-electrode cell used in electrochemical measurements?
A three-electrode cell isolates the reaction of interest from side reactions. The working electrode hosts the reaction, the counter electrode completes the circuit, and the reference electrode provides a stable potential baseline for accurate measurements. This configuration prevents errors from counter electrode reactions affecting your data.
Q3: What role does the reference electrode play in electrochemical testing?
The reference electrode contains a redox system with a known, stable electrode potential. It allows the potentiostat to measure applied potential accurately by providing a fixed baseline. Common reference electrodes include the saturated calomel electrode, reversible hydrogen electrode, and Ag/AgCl electrode, each used for specific calibration purposes.
Q4: How does chronoamperometry differ from chronopotentiometry?
Chronoamperometry applies a fixed potential step and measures current versus time, useful for determining diffusion coefficients. Chronopotentiometry applies a constant current and measures potential versus time, useful for tracking reaction progress. Both techniques isolate specific electrochemical information by holding one parameter constant while monitoring the other.
Q5: What is the purpose of degassing the electrolyte solution?
Degassing removes dissolved oxygen and other redox-active species from the electrolyte using inert gas like nitrogen. This prevents unwanted side reactions at the electrodes that would interfere with your measurements. Continuous gentle bubbling maintains the oxygen-free environment throughout the electrochemical experiment.
Q6: Why is electrode polishing necessary before electrochemical measurements?
Polishing the working electrode with colloidal alumina removes surface contaminants and oxidation, creating a clean, reproducible surface for catalyst deposition. This ensures consistent electrode behavior and reliable electrochemical data. After polishing, thorough rinsing with deionized water removes all alumina residue.
Q7: How does linear sweep voltammetry reveal electrochemical reactions?
Linear sweep voltammetry sweeps potential at a constant rate while measuring current, producing a plot showing oxidation or reduction events as peaks. The peak positions and heights reveal which species are oxidized or reduced and at what potentials. This technique provides detailed information about measuring redox potentials and currents on the catalyst surface.
Rozdziały w tym filmie
0:00
Overview
1:09
Principles of Voltammetry
4:36
Working Electrode Preparation
5:51
Electrochemical Cell Preparation
6:53
Electrochemical Analysis
8:38
Applications
10:17
Summary