Электрохимические измерения катализаторов на носителях с использованием потенциостата/гальваностата

Потенциостат-гальваностат является наиболее часто используемым инструментом для определения электрохимических характеристик и используется для понимания влияния электрических изменений на химическую реакцию.

Потенциостат-гальваностат – это прибор, используемый в электрохимических системах. Он измеряет ток при приложенном потенциале в режиме потенциостата или наоборот в режиме гальваностата. Для простоты прибор принято называть потенциостатом.

Окислительно-восстановительные, или окислительно-восстановительные, реакции происходят на поверхности электрода и включают перенос электронов. В частности, потеря электронов в химическом веществе является случаем окисления, или приобретением электронов в случае восстановления. Это окислительно-восстановительное событие может быть индуцировано приложенным потенциалом E, также называемым напряжением.

В этом видео будет продемонстрирована настройка и проведение электрохимических тестов с использованием потенциостата.

В большинстве случаев окислительно-восстановительные события связаны с потенциостатом через трехэлектродную ячейку. Трехэлектродная ячейка состоит из рабочего электрода, счетчика или вспомогательного электрода и электрода сравнения. Рабочий электрод — это место, где происходит интересующая реакция, а противоэлектрод используется для замыкания электрической цепи.

Приложенный потенциал измеряется относительно электрода сравнения, который содержит окислительно-восстановительную систему с известным, стабильным электродным потенциалом, E. Обычными электродами сравнения являются насыщенный каломельный электрод и обратимый водородный электрод, которые используются для калибровки. Электрод Ag/AgCl обычно используется в электрохимических испытаниях и взаимодействует с раствором электролита через пористую фритту.

Электрохимическая ячейка заполняется раствором электролита с высокой ионной силой, таким как раствор кислоты, щелочи или соли. Раствор электролита предотвращает накопление заряда на электродах.

В электрохимическом эксперименте потенциал, ток, время и заряд могут быть манипулированы или измерены потенциостатом. Когда рабочий электрод выступает в роли катода, электроны перетекают от противоэлектрода к рабочему. Положительно заряженные ионы, или катионы, поступают на катод. Обратное верно, когда рабочий электрод выступает в роли анода. Отрицательно заряженные ионы, или анионы, поступают к аноду.

Выбирая обрабатываемые и измеряемые параметры, можно использовать ряд методов измерения. Хроноамперометрия — это метод, при котором к рабочему электроду прикладывается потенциальная ступень, а результирующее изменение тока измеряется как функция времени. Когда ступень потенциала достаточно велика, чтобы вызвать электрохимическую реакцию на рабочем электроде, ток изменяется. Этот метод может быть использован для многих приложений, таких как определение коэффициентов диффузии в кинетике реакции.

Точно так же хронопотенциометрия — это метод, при котором применяется постоянный или переменный ток, а потенциал измеряется как функция времени. Приложенный ток приводит к тому, что электроактивные вещества окисляются или восстанавливаются с определенной скоростью. Этот метод используется для ряда задач, таких как определение хода реакции.

Вольтамперометрия измеряет анодный и катодный ток по отношению к приложенному потенциальному развертке. Это измерение изучает добавление или удаление электронов из химического вещества при увеличении или уменьшении потенциала с постоянной скоростью. Циклическая вольтамперометрия, или CV, подробно рассматривается в другом видео из этой коллекции.

Теперь, когда с основами вольтамперометрии разобрались, в лаборатории будет продемонстрировано приготовление трехэлектродной ячейки и рабочего электрода с поверхностно связанным катализатором. В ходе этой демонстрации будут приготовлены и измерены каталитические чернила, состоящие из наночастиц платины в основе технического углерода со связующим веществом Nafion. Эта система является репрезентативной для современных исследований топливных элементов и аккумуляторов.

Для начала взвесьте 7,5 мг металлического/технического углерода катализатора в вытяжном шкафу и добавьте его в стеклянный флакон. Разбавьте катализатор 1 мл воды и добавьте 100 ? L?of Nafion 117, затем закройте флакон крышкой.

Обрабатывайте смесь ультразвуком на льду в течение не менее 10 минут, чтобы обеспечить равномерное диспергирование и полное смешивание технической основы с нафионом. Пока чернила озвучиваются, подготовьте рабочий электрод, представляющий собой 3-миллиметровый стекловидный угольный диск.

Очистите и отполируйте электрод, аккуратно потирая его вихревыми круговыми движениями на мягкой подушечке, покрытой 0,05 мкм раствором коллоидного оксида алюминия. После полировки обильно промойте электрод деионизированной водой, чтобы удалить глинозем.

Далее 7 мл чернил капают на полированный, вертикально ориентированный стеклоуглеродный электрод. Просушите рабочий электрод в вакууме при комнатной температуре. Тогда сушить его при 80?? C в течение одного часа, если наночастицы катализатора стабильны на воздухе.

Сначала заполните стеклянную электрохимическую ячейку 10 мл электролита. Закройте электрохимическую ячейку тефлоновым колпачком с отверстиями для трех электродов. Дегазируйте электролит в течение не менее 30 минут с помощью газообразного азота сверхвысокой чистоты, чтобы удалить окислительно-восстановительный кислород. Позвольте азоту слегка пузыриться на протяжении всего эксперимента.

Извлеките электрод сравнения Ag/AgCl из 3 М раствора для хранения NaCl. Тщательно промойте электрод деионизированной водой и поместите его в электрохимическую ячейку.

Далее промойте противоэлектрод с платиновой проволокой и высушенный рабочий электрод деионизированной водой, и вставьте их в ячейку. Следите за тем, чтобы электроды не соприкасались. Включите потенциостат, и подсоедините провода к электродам сравнения и счетчика.

Выполните не менее 20 циклов кондиционирования, выполнив циклическое вольтамперометрическое сканирование между верхним и нижним пределами потенциала со скоростью 50 мВ в секунду. Этот шаг гарантирует, что поверхности электродов полностью гидратированы.

Вольтамперометрия с линейной разверткой, или LSV, может быть выполнена путем указания начального и конечного потенциалов, а также скорости сканирования. Частота сканирования для LSV обычно меньше, чем для CV. В результате получается график зависимости потенциалов от тока с событиями окисления или восстановления, визуализированными в виде пиков сканирования. В этом случае перхлорат в электролите был восстановлен на поверхности катализатора при катодном сканировании.

Чтобы выполнить хроноамперометрию, выберите ее в качестве метода, затем укажите фиксированный потенциал, а также время. В результате получается график зависимости текущего времени от времени. Начальный затухание происходит из-за емкостного разряда, в то время как стационарная часть по существу представляет собой прямую линию. Хроноамперометрия является потенциостатической, и, таким образом, после первоначального асимптотического затухания емкостных эффектов ток, приписываемый поверхностным реакциям, может быть выделен.

Наконец, хронопотенциометрия выполняется в виде последовательности этапов тока, где один ток указывается в течение определенного периода времени. Каждый раз, когда ток переключается с нуля на рабочий, происходит первоначальное асимптотическое изменение потенциала, за которым следует устойчивое состояние. После каждого цикла включения/выключения стабильному материалу катализатора требуется один и тот же избыточный потенциал для управления заданным током.

Электрохимические измерения с помощью потенциостата широко используются в анализе и изготовлении.

Электрохимия используется для анализа связывания молекул зонда с электродами. В этом примере электроды были структурированы в микрофлюидных каналах и функционализированы одноцепочечной ДНК. Когда ДНК была гибридизирована с комплементарной цепью, окислительно-восстановительная пара блокировалась на поверхности электрода.

Затем измеряли гибридизацию ДНК путем подключения электродов к потенциостату с помощью трех зондирующих электродов.

Измерения импеданса, измеряющие сопротивление протеканию тока, показали, что увеличение концентрации комплементарной ДНК приводит к увеличению импеданса и, следовательно, к увеличению гибридизации.

Затем с помощью электрохимических процессов контролировали и характеризовали рост биопленок на электроде. Для этого была собрана трехэлектродная ячейка, электролит которой является клеточным бульоном.

Рост биопленки контролировали с помощью хроноамперометрии, чтобы добиться точного измерения и воспроизводимых условий культивирования.

Электрохимические методы также могут быть использованы при изготовлении тонких пленок и слоев на поверхности электрода. Электрические сигналы запускают локализованные среды на поверхности электрода, которые могут вызвать самосборку материалов.

В данном примере осаждение биоматериалов проводилось с помощью электроосаждения. Хитозан, биополисахарид, претерпевает золь-гель переход на поверхности электрода, создавая пленку.

Вы только что посмотрели введение в потенциометрию от JoVE. Теперь вы должны понять, как настроить типичную трехэлектродную ячейку и выполнить основные электрохимические испытания.

Спасибо за просмотр!