3.14: Pomiary elektrochemiczne katalizatorów na nośniku przy użyciu potencjostatu/galwanostatu

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.

1. Za pomocą zamkniętej wagi odważyć 5–10 mg katalizatora metal/sadza i dodać do szklanej fiolki z nakrętką.
2. Za pomocą mikropipety rozcieńczyć katalizator wodą tak, aby końcowe stężenie wynosiło 7,5 mg katalizatora na ml wody.
3. Podczas sonikacji do zawiesiny dodaje się 100 μl roztworu Nafion 117 na ml wody.
4. Tusz powinien być sonikowany przez co najmniej 10 minut, aby zapewnić równomierną dyspersję i całkowite wymieszanie nośnika sadzy ze środkiem wiążącym.
5. Podczas sonikacji tuszu, 3-milimetrową szklistą elektrodę węglową należy oczyścić i wypolerować, pocierając ją wirującymi ruchami okrężnymi o miękką podkładkę z tlenku glinu pokrytą roztworem tlenku glinu o wielkości 0,05 μm. Następnie należy go obficie spłukać wodą, aby usunąć tlenek glinu.
6. Następnie 7 μl tuszu kapie na wypolerowaną, pionowo zorientowaną elektrodę węglową o średnicy 3 mm. Elektroda robocza jest następnie suszona w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę, jeśli katalizator jest stabilny w powietrzu, lub odparowywana w słabej próżni przez 30 minut, jeśli katalizator jest wrażliwy na powietrze.

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.

1. Szklaną kuwalkę napełnia się 10 ml 0,5 M H₂SO₄ i odgazowuje przez co najmniej 30 minut strumieniem azotu o ultra wysokiej czystości
2. Teflonowe nasadki ogniw elektrochemicznych mają 3 porty dla elektrody roboczej, przeciwelektrody i elektrody odniesienia
3. Elektrodę referencyjną Ag/AgCl wyjmuje się z 1 M roztworu KCl, dokładnie przepłukuje wodą DI, a następnie umieszcza w ogniwie.
4. Przeciwelektroda z platynowego drutu platynowego jest dokładnie płukana wodą DI, a następnie umieszczana w ogniwie.
5. Wysuszoną elektrodę roboczą przepłukuje się wodą demineralizowaną, a następnie umieszcza w ogniwie.
6. Potencjostat jest włączony.
7. Biały przewód elektrody jest najpierw podłączany i podłączany do elektrody odniesienia.
8. Czerwony przewód elektrody jest następnie podłączany do przeciwelektrody z drutu Pt.
9. Zielony przewód elektrody jest następnie podłączany do elektrody roboczej z metalu/sadzy.
10. Mały strumień przedmuchiwania N₂ pozostaje w sposób ciągły bulgoczący w elektrolicie.
11. Upewnij się, że żadne przewody się nie stykają i że nie ma bezpośredniego kontaktu elektrycznego między 3 elektrodami innymi niż elektrolit 0,5 M H₂SO₄.

3. Analiza elektrochemiczna

1. Po włączeniu potencjostatu należy wykonać co najmniej 20 cykli kondycjonowania w zakresie od 0 do 0,4 V w stosunku do wilgotności względnej przy napięciu 50 mV/s przy użyciu CV. Odbywa się to poprzez wybór CV jako techniki i wprowadzenie górnego i dolnego limitu potencjału, a także szybkości skanowania.
2. Liniową woltamperometrię przemiatania (LSV) można następnie przeprowadzić, wybierając LSV jako technikę i określając potencjał początkowy, potencjał końcowy i szybkość skanowania. Szybkość skanowania dla LSV jest zwykle znacznie mniejsza niż CV, zwykle 1 – 2 mV/s, dzięki czemu prądy pojemnościowe stają się znacznie niższe niż prądy powstające w wyniku faradaicznych reakcji powierzchniowych
3. Chronoamperometria (CA) jest wykonywana poprzez wybór CA lub "Amperometrycznej krzywej i-t" jako techniki i określenie stałego potencjału, a także czasu, przez jaki przyrząd powinien utrzymywać elektrodę roboczą jako ten stały potencjał.
4. Chronopotencjometria (CP) jest wykonywana poprzez wybór CP jako techniki. CP można wykonać w serii kroków prądowych, w których jeden prąd jest określany na określony czas, a następnie nowy prąd na określony czas. Te zastosowane prądy mogą obejmować zarówno prądy anodowe, jak i katodowe w ramach tego samego pomiaru CP.
5. Po zakończeniu analizy elektrochemicznej wyłącz potencjostat.
6. Odłącz przewody elektrod i przechowuj je w suchym miejscu, z dala od wszelkich płynów, aby zapobiec korozji.
7. Wyjmij elektrodę odniesienia i spłucz dużą ilością wody demineralizowanej. Następnie umieść elektrodę odniesienia bezpośrednio w roztworze do przechowywania 1 M KCl. Końcówka tej elektrody nigdy nie powinna być dopuszczona do wyschnięcia.
8. Wyjmij przeciwelektrodę z drutu Pt i dokładnie spłucz wodą DI
9. Wyjmij elektrodę roboczą i dokładnie spłucz wodą DI, a następnie użyj Kimwipe z acetonem, aby łatwo usunąć zaschnięty tusz katalizatora z powierzchni elektrody roboczej. Zaleca się polerowanie elektrod natychmiast po użyciu.
10. Wyłącz czyszczenie N₂.
11. Opróżnij zużyty elektrolit do pojemnika na odpady kwaśne. Opłucz szklaną kuwetę i teflonową nakrętkę dużą ilością wody demineralizowanej.

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!