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Medições eletroquímicas de catalisadores suportados usando um potenciostato/galvanostato

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Electrochemical Measurements of Supported Catalysts Using a Potentiostat/Galvanostat

3.10: Ion-Exchange Chromatography

3.15: Cyclic Voltammetry (CV)

51,155 Views

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10:38 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Yuriy Román — Massachusetts Institute of Technology

Um potencialiostat/galvanostat (muitas vezes referido como simplesmente um potencialiostat) é um instrumento que mede a corrente em um potencial aplicado (operação potencializatática) ou mede potencialmente em uma corrente aplicada (operação galvanostática)(Figura 1). É o instrumento mais utilizado na caracterização eletroquímica de materiais de ânodo e cátodo para células de combustível, eletrólitos, baterias e supercapacitores.

Convencionalmente, esses materiais de ânodo e cátodo são interfaceados com um potencialiostat através de uma célula eletroquímica de três eletrodos. Os condutores de eletrodo do potencialiostat são conectados ao eletrodo de referência, ao eletrodo de contador (muitas vezes chamado de eletrodo auxiliar) e ao eletrodo de trabalho (que contém o material de teste de interesse). A célula eletroquímica é então preenchida com uma solução de eletrólito de alta resistência iônica, como uma solução ácida, alcalina ou salgada. A mídia para esta solução de alta resistência iônica é tipicamente aquosa; no entanto, para aplicações que exigem janelas potenciais celulares de maior funcionamento, como baterias e supercapacitores, a mídia não aquosa é frequentemente usada. A mídia celular é desgaseada com um gás inerte (para evitar reações laterais indesejadas) ou com um gás de teste (se a reação de teste envolve um gás em um dos eletrodos).

Alternativamente, uma ponte de sal ou membrana é empregada para manter contato iônico se as duas metades das células devem ser medidas em diferentes eletrólitos. Em eletrocatálise heterogênea, este tipo de célula “dois compartimentos” é frequentemente usada se a molécula de teste no eletrodo de trabalho também estiver reaativa na contraeledição. Isso acontece frequentemente, pois a contraeletrídua tipicamente empregada é a platina, que é um catalisador altamente ativo para muitas reações. Aqui, serão utilizadas células de compartimento único, onde os três eletrodos estão na mesma mídia.

Este vídeo explicará o processo de polimento de um eletrodo funcionando, preparando uma tinta catalisador, montando a tinta catalisador no eletrodo de trabalho, preparando a célula eletroquímica e, em seguida, realizando medições eletroquímicas. As medidas realizadas incluem: voltammemetria cíclica (CV), voltametria linear de varredura (LSV), cronootometria (CP) e cronoamperometria (AC).

Figura 1. Um exemplo de uma única célula eletroquímica compartimental. a.) Teflon cap, b.) célula de vidro, c.) Eletrodo do contador de fios pt, d.) eletrodo de trabalho, e.) Eletrodo de referência Ag/AgCl, f.) Solução de eletrólito de ácido sulfúrico aquoso de 0,5 M.

Principles

O potencialiostat pode ser usado para aplicar um potencial anodódico ou catódico constante ao eletrodo de trabalho e medir a corrente anocólica ou catódica resultante (cronoamperometria) ou o potencialiotato pode ser operado galvanostaticamente através de um loop de controle de feedback e aplicar uma corrente anodaídica ou catódica constante com o potencial medido variando com o tempo para manter esta corrente aplicada (cronoototricometria). Alternativamente, o espaço potencial pode ser explorado com o tempo usando voltametria cíclica ou voltammemetria de varredura linear para medir potenciais anoríficos e catódicos versus uma taxa de varredura potencial aplicada (a derivada do potencial em relação ao tempo).

Em todas essas técnicas, mesmo durante a operação galvanostática, o potencialiostat controla o potencial aplicado e mede o fluxo de elétrons de (to) o eletrodo de trabalho para (a partir) do eletrodo de contador quando o eletrodo de trabalho está agindo como o ânodo (cátodo). O potencial aplicado é referenciado contra o eletrodo de referência, que contém um sistema redox (como um eletrodo de cloreto de prata ou eletrodo de calomel saturado) com um potencial conhecido e estável que é interfaceado com a solução eletrólito através de um frit poroso. Durante a operação normal, o potencialiostat desenha uma corrente insignificante, mas não zero, através do eletrodo de referência para que um potencial preciso possa ser aplicado ao eletrodo de trabalho. Enquanto o potencialiostat mede o fluxo de elétrons para ou de uma reação meia para a próxima, a solução eletrólito completa o circuito impedindo o acúmulo de carga no ânodo ou no cátodo.

Procedure

1. Preparação de tinta catalisador e eletrodos de trabalho

Precauções de segurança: Os metais suportados em preto carbono devem ser manuseados em um capô de fumaça ou em um compartimento de equilíbrio até que esteja em forma de suspensão, pois estes pós são riscos de inalação.

Usando um equilíbrio fechado, pese de 5 a 10 mg de catalisador preto de metal/carbono e adicione a um frasco de vidro com uma tampa.
Usando uma micropipette, dilua o catalisador com água de tal forma que a concentração final seja de 7,5 mg de catalisador por mL de água.
Enquanto sonicante, 100 μL de solução Nafion 117 por mL de água é adicionado à suspensão.
A tinta deve ser sônica por pelo menos 10 minutos para garantir a dispersão uniforme e a mistura completa do suporte preto carbono com o agente de ligação.
Enquanto a tinta é sônica, um eletrodo de disco de carbono de 3 mm deve ser limpo e polido esfregando-o em um movimento circular giratório em uma almofada de alumina macia coberta com solução de alumina de 0,05 μm. Em seguida, deve ser lavado copiosamente com água para remover a alumina.
Em seguida, 7 μL de tinta é pingado em um eletrodo de disco de carbono polido, verticalmente orientado 3 mm. O eletrodo de trabalho é então seco a 80 °C por 1 h se o catalisador estiver estável no ar ou evaporado sob um vácuo fraco por 30 minutos se o catalisador estiver sensível ao ar.

2. Preparação de células eletroquímicas

Precauções de segurança: Luvas, casaco de labcoat e óculos de segurança devem ser sempre usados, mas é especialmente primordial para trabalhar com a solução de ácido sulfúrico. Se alguma gota de solução derramar sobre os pulsos, deve ser lavada com água e sabão por 15 minutos. Para derramamentos graves, a remoção de roupas contaminadas e o uso de lavagem ocular ou chuveiros devem ser utilizados por 15 minutos seguidos de consulta médica. Os cabos elétricos não devem ser tocados uma vez colocados na célula eletroquímica.

Uma célula de vidro é preenchida com 10 mL de 0,5 M H₂SO₄ e desgaseada por pelo menos 30 min com um fluxo de nitrogênio de alta pureza
As tampas de Teflon das células eletroquímicas têm 3 portas para o eletrodo de trabalho, eletrodo de contador e eletrodo de referência
O eletrodo de referência Ag/AgCl é removido de sua solução de 1 M KCl, enxaguado completamente com água DI e, em seguida, colocado na célula.
O eletrodo do contador de fio de platina platinizado é lavado completamente com água DI e, em seguida, colocado na célula.
O eletrodo de trabalho seco é enxaguado com água DI e depois colocado na célula.
O potencialiostat está ligado.
O chumbo eletrodo branco é conectado primeiro e conectado ao eletrodo de referência.
O chumbo eletrodo vermelho é então conectado ao eletrodo do contador de fios Pt.
O chumbo eletrodo verde é então conectado ao eletrodo de metal/carbono preto funcionando.
Um pequeno fluxo de expurgo N₂ é deixado continuamente borbulhando no eletrólito.
Certifique-se de que nenhum cabo está tocando e que não há contato elétrico direto entre os 3 eletrodos que não sejam os 0,5 M H₂SO₄ eletrólitos.

3. Análise Eletroquímica

Depois de ligar o potencialiostat, realize pelo menos 20 ciclos de condicionamento entre 0 e 0,4 V vs. RHE a 50 mV/s usando CV. Isso é realizado escolhendo cv como técnica e entrando nos limites potenciais superiores e inferiores, bem como na taxa de digitalização.
A Voltametria de Varredura Linear (LSV) pode então ser realizada escolhendo o LSV como uma técnica e especificando um potencial inicial, um potencial final e uma taxa de digitalização. A taxa de varredura para LSV é tipicamente muito menor do que cv, geralmente 1 – 2 mV/s de modo que as correntes capacitivas se tornam muito menores do que as correntes decorrentes de reações de superfície faradaicas
A cronoamperometria (CA) é realizada escolhendo CA ou “curva amperométrica i-t” como técnica e especificando o potencial fixo, bem como o tempo que o instrumento deve manter o eletrodo de trabalho como esse potencial fixo.
A cronototricometria (CP) é realizada escolhendo CP como técnica. O CP pode ser realizado em uma série de etapas atuais onde uma corrente é especificada por um determinado período de tempo seguido por uma nova corrente por um período de tempo especificado. Essas correntes aplicadas podem abranger correntes anoódicas e catódicas dentro da mesma medição cp.
Quando a análise eletroquímica estiver concluída, desligue o potencialiostat.
Desconecte os cabos de eletrodos e armazene-os em um lugar seco longe de quaisquer líquidos para evitar corrosão.
Remova o eletrodo de referência e enxágue com quantidades abundantes de água DI. Em seguida, devolva o eletrodo de referência diretamente à sua solução de armazenamento KCl de 1 M. A ponta deste eletrodo nunca deve ser permitida a ficar seca.
Remova o eletrodo do contador de fios Pt e enxágue bem com água DI
Remova o eletrodo de trabalho e enxágue bem com água DI e, em seguida, use um Kimwipe com acetona para remover facilmente a tinta catalisador seca da superfície do eletrodo em funcionamento. Recomenda-se polir eletrodos imediatamente após o uso.
Desligue o expurgo N_2.
Esvazie o eletrólito usado em um recipiente de resíduos ácidos. Enxágüe a célula de vidro e a tampa de Teflon com quantidades abundantes de água DI.

Um potencialiostat-galvanostat é o instrumento mais comumente usado na caracterização eletroquímica, e é usado para entender o efeito de mudanças elétricas em uma reação química.

Um potencialiostat-galvanostat é um instrumento usado em sistemas eletroquímicos. Ele mede a corrente em um potencial aplicado no modo de potencialiostat, ou vice-versa no modo galvanostat. Para simplificar, o instrumento é comumente chamado de potencialiostat.

Redução de oxidação, ou redox, as reações ocorrem em uma superfície eletrodo e envolvem a transferência de elétrons. Em particular, a perda de elétrons em uma espécie química é o caso da oxidação, ou o ganho de elétrons no caso da redução. Este evento redox pode ser induzido por um potencial aplicado, E, também chamado de tensão.

Este vídeo demonstrará a configuração e o desempenho de testes eletroquímicos usando um potencialiostat.

Na maioria dos casos, os eventos redox são acoplado a um potencialiostat através de uma célula de três eletrodos. A célula de três eletrodos consiste em um eletrodo de trabalho, eletrodo contador ou auxiliar, e eletrodo de referência. O eletrodo de trabalho é onde ocorre a reação de interesse, e o eletrodo do contador é usado para completar o circuito elétrico.

Um potencial aplicado é medido contra o eletrodo de referência, que contém um sistema redox com um potencial de eletrodo conhecido e estável, E. Eletrodos de referência comuns são o eletrodo de calomel saturado, e o eletrodo de hidrogênio reversível, que são usados para fins de calibração. O eletrodo Ag/AgCl é comumente usado em testes eletroquímicos, e é interfaceado com a solução de eletrólitos através de um frit poroso.

A célula eletroquímica é preenchida com uma solução de eletrólito de alta resistência iônica, como uma solução ácida, alcalina ou salgada. A solução de eletrólitos evita o acúmulo de carga nos eletrodos.

Em um experimento eletroquímico, potencial, corrente, tempo e carga podem ser manipulados ou medidos pelo potencialiostat. Quando o eletrodo de trabalho está agindo como o cátodo, os elétrons fluem do eletrodo do contador para o eletrodo funcionando. Íons carregados positivamente, ou cáations, fluem para o cátodo. O inverso é verdadeiro quando o eletrodo de trabalho está agindo como o ânodo. Íons carregados negativamente, ou ânions, fluem para o ânodo.

Ao selecionar os parâmetros manipulados e medidos, uma série de técnicas de medição são possíveis. A cronoamperometria é uma técnica onde um passo em potencial é aplicado ao eletrodo de trabalho, e a mudança de corrente resultante é medida em função do tempo. Quando um passo potencial é grande o suficiente para causar uma reação eletroquímica no eletrodo de trabalho, a corrente muda. Esta técnica pode ser usada para muitas aplicações, como a determinação de coeficientes de difusão em cinética de reação.

Da mesma forma, a cronoototricometria é uma técnica onde uma corrente constante ou variada é aplicada, e o potencial é medido em função do tempo. A corrente aplicada faz com que as espécies eletroativas sejam oxidadas ou reduzidas a uma determinada taxa. Esta técnica é usada para uma série de aplicações, como a determinação do progresso da reação.

A voltametria mede a corrente anodica e catódica em relação a uma varredura potencial aplicada. Esta medida examina a adição ou remoção de elétrons de uma espécie química durante o aumento ou diminuição do potencial a uma taxa constante. Voltammetry cíclica, ou CV, é coberto em profundidade separadamente em outro vídeo desta coleção.

Agora que o básico da voltametria foi coberto, a preparação de uma célula de três eletrodos e um eletrodo de trabalho com um catalisador ligado à superfície será demonstrada em laboratório. Nesta demonstração, a tinta catalisador será preparada e medida, que consiste em nanopartículas de platina em um suporte preto carbono, com um agente de ligação Nafion. Este sistema é representativo da pesquisa atual de células de combustível e baterias.

Para começar, pese 7,5 mg de catalisador preto metálico/carbono em um capô de fumaça, e adicione-o a um frasco de vidro. Diluir o catalisador com 1 mL de água e adicionar 100 μL de Nafion 117, em seguida, tampar o frasco.

Sonicar a mistura no gelo por pelo menos 10 minutos para garantir a dispersão uniforme e a mistura completa do suporte preto carbono com o Nafion. Enquanto a tinta está sonicando, prepare o eletrodo de trabalho, que é um disco de carbono vidrado de 3 mm.

Limpe e polir o eletrodo esfregando-o suavemente em um movimento circular e giratório em uma almofada macia coberta com solução de alumina coloidal de 0,05 μm. Após o polimento, enxágue o eletrodo copiosamente com água desionizada para remover a alumina.

Em seguida, 7 mL de tinta é pingado sobre o eletrodo de carbono polido e verticalmente orientado. Seque o eletrodo de trabalho sob vácuo à temperatura ambiente. Em seguida, seque-o a 80 °C por uma hora se as nanopartículas catalisadoras estiverem estáveis no ar.

Primeiro, encha a célula eletroquímica de vidro com 10 mL do eletrólito. Tampe a célula eletroquímica com uma tampa de Teflon com aberturas para os três eletrodos. Desaum o eletrólito por pelo menos 30 minutos com gás nitrogênio de alta pureza, a fim de remover oxigênio ativo redox. Deixe o nitrogênio borbulhar levemente durante todo o experimento.

Remova o eletrodo de referência Ag/AgCl de sua solução de armazenamento NaCl de 3 M. Enxágüe o eletrodo completamente com água deionizada e coloque-o na célula eletroquímica.

Em seguida, enxágue o eletrodo do contador de fio de platina e o eletrodo de trabalho seco com água desionizada, e insira-os na célula. Certifique-se de que os eletrodos não toquem. Ligue o potencialiostat e conecte as pistas aos eletrodos de referência e contador.

Realize pelo menos 20 ciclos de condicionamento executando varreduras de voltametria cíclica entre os limites potenciais superiores e inferiores a 50 mV por segundo. Esta etapa garante que as superfícies do eletrodo estejam totalmente hidratadas.

A voltametria de varredura linear, ou LSV, pode ser realizada especificando os potenciais iniciais e finais e a taxa de varredura. A taxa de digitalização para LSV é tipicamente menor do que a do CV. O resultado é um enredo de potencial versus corrente com eventos de oxidação ou redução visualizados como picos no scan. Neste caso, o perclorato no eletrólito foi reduzido na superfície catalisadora na varredura catódica.

Para realizar a cronoamperometria, selecione-a como técnica e, em seguida, especifique o potencial fixo, bem como o tempo. O resultado é um enredo de tempo atual. A decadência inicial deve-se ao descarregamento capacitivo, enquanto a porção de estado estável é essencialmente uma linha reta. A cronoamperometria é potencialestática e, portanto, após a decadência assintotótica inicial dos efeitos capacitivos, a corrente atribuída às reações superficiais pode ser isolada.

Finalmente, a cronototricometria é realizada em uma série de etapas atuais, onde uma corrente é especificada por um determinado período de tempo. Cada vez que a corrente muda de zero para a corrente de trabalho, há uma mudança assintótica inicial no potencial, seguida por um estado estável. Após cada ciclo de on/off, o material catalisador estável requer o mesmo excesso de potencial para conduzir a corrente especificada.

Medições eletroquímicas com um potencialiostat são amplamente utilizadas na análise e fabricação.

Eletroquímica é usada para analisar a ligação de moléculas de sondas a eletrodos. Neste exemplo, os eletrodos foram padronizados dentro de canais microfluidos, e funcionalizados com DNA único encalhado. Quando o DNA foi hibridizado com o fio de cortesia, o casal redox foi bloqueado na superfície do eletrodo.

A hibridização do DNA foi então medida conectando os eletrodos ao potencialiostat usando três eletrodos de sonda.

As medidas de impedância, uma medida da resistência ao fluxo atual, mostraram que o aumento da concentração de DNA complementar resultou em aumento da impedância e, portanto, aumento da hibridização.

Em seguida, foram utilizados processos eletroquímicos para monitorar e caracterizar o crescimento de biofilmes em um eletrodo. Para isso, uma célula de três eletrodos foi montada, com o eletrólito sendo o caldo celular.

O crescimento do biofilme foi monitorado por meio de cronoamperometria, a fim de alcançar uma medição exata e condições de cultura reprodutíveis.

Técnicas eletroquímicas também podem ser usadas na fabricação de filmes finos e camadas em uma superfície eletrodo. Sinais elétricos desencadeiam ambientes localizados na superfície do eletrodo, o que pode induzir a automontagem dos materiais.

Neste exemplo, a deposição de biomateriais foi realizada por meio de eletrodeposição. Chitosan, um biopolisacarídeo, passa por uma transição sol-gel na superfície do eletrodo, criando um filme.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à potencialiometria. Agora você deve entender como configurar uma célula típica de três eletrodos, e realizar testes eletroquímicos básicos.

Obrigado por assistir!

Results

Este procedimento resultará em números contendo parcelas de corrente medida versus potencial para cada uma das quatro técnicas. Por convenção para CV e LSV, as parcelas também serão superadas como potencial de corrente medida, apesar da realidade de que são técnicas transitórias que medem a corrente versus a derivada temporal do potencial.

Applications and Summary

CV, LSV, CP e CA são técnicas indispensáveis para determinar a eficácia de novos materiais eletrodos para células de combustível, eletrólitos, baterias e supercapacitores, bem como para o desenvolvimento de campos como a oxidação parcial seletiva ou redução de produtos químicos de commodities. Esses métodos permitem determinar superpotenciais de reações em diferentes materiais eletrodos em comparação com seus potenciais de equilíbrio termodinâmico. Esses métodos também permitem determinar a capacitância volumétrica ou gravimétrica dos supercapacitores. Da mesma forma, as taxas de carregamento/descarga de eletrodos de bateria ou supercapacitores podem ser determinadas com essas técnicas. Essas técnicas também permitem determinar a caracterização da estabilidade eletroquímica dos materiais. Além dessas técnicas básicas, técnicas mais avançadas incluem a combinação de técnicas potencialiométricas com métodos in-situ, como IR e espectrometria de 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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