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전위요스타트/갈바노스타트를 사용하여 지원되는 촉매의 전기화학적 측정
 
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전위요스타트/갈바노스타트를 사용하여 지원되는 촉매의 전기화학적 측정

Overview

출처: 유리 로만 박사 연구소 — 매사추세츠 공과대학

전위요스타트/갈바노스트(종종 단순히 전형적 조작이라고도 함)는 적용된 전위(전능성 조작)에서 전류를 측정하거나 적용된 전류(galvanostatic operation)에서 잠재력을 측정하는 계측기(도1)이다. 연료 전지, 전해질기, 배터리 및 슈퍼 커패시터용 양극 및 음극 재료의 전기 화학적 특성화에서 가장 일반적으로 사용되는 기기입니다.

종래, 이러한 양극 및 음극 물질은 3 전극 전극 전극 세포를 통해 강력한 iostat와 인터페이스된다. 전극 리드는 전극, 카운터 전극(종종 보조 전극이라고도 함), 및 작동 전극(관심 있는 테스트 재료를 포함하는)에 연결됩니다. 전기 화학 세포는 산성, 알칼리성 또는 염액과 같은 높은 이온 강도 전해질 용액으로 채워져 있습니다. 이 높은 이온 강도 용액에 대한 미디어는 일반적으로 수성; 그러나 배터리 및 슈퍼 커패시터와 같은 더 높은 작동 셀 잠재적 창이 필요한 응용 프로그램의 경우 비 수성 미디어가 종종 사용됩니다. 세포 매체는 불활성 가스(원치 않는 측면 반응을 방지하기 위해) 또는 시험 가스로 탈유됩니다(테스트 반응이 전극 중 하나에서 가스를 포함하는 경우).

대안적으로, 염교 또는 멤브레인은 2개의 반 세포가 상이한 전해질에서 측정될 경우 이온 접촉을 유지하기 위해 사용된다. 이질적인 전기촉매에서, 이러한 유형의 "2구획" 셀은 작업 전극에서 의 테스트 분자가 또한 카운터 전극에서 반응하는 경우에 수시로 이용됩니다. 이는 일반적으로 사용되는 카운터전극이 백금이기 때문에 자주 발생하며, 이는 많은 반응을 위한 고도로 활성 촉매입니다. 여기서 단일 구획 셀이 사용되며, 여기서 세 개의 전극이 모두 동일한 미디어에 있습니다.

이 비디오는 작동 전극을 연마하고, 촉매 잉크를 준비하고, 촉매 잉크를 작동 전극에 장착하고, 전기 화학 전지를 준비한 다음 전기 화학 적 측정을 수행하는 과정을 설명합니다. 수행되는 측정에는 순환 형 화산측정법 (CV), 선형 스윕 볼탐법 (LSV), 크로노포티오메트리 (CP), 크로노암페롬법 (CA)이 포함됩니다.

Figure 1
그림 1. 단일 구획 전기 화학 세포의 예. a.) 테플론 캡, b.) 유리 셀, c.) Pt 와이어 카운터 전극, d.) 작동 전극, 즉) Ag/AgCl 기준 전극, f.) 0.5M 수성 황산 전해질 용액.

Principles

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potentiostat는 작동 전극에 일정한 아노디 또는 음극 전위를 적용하고 결과 아노디 또는 음극 전류 (크로노암페롬법) 또는 전위요스타트를 측정하여 피드백 제어 루프를 통해 galvanostatic로 작동할 수 있으며 이 적용된 것을 유지하기 위해 시간이 지남에 따라 측정된 잠재적 인 전류를 일정한 아노디 또는 음극 전류를 적용할 수 있습니다. 또는, 잠재적인 공간은 경순환 voltammetry 또는 선형 스윕 voltammetry를 사용하여 적용된 잠재적 스캔 비율(시간에 관하여 잠재력의 유도체)에 비해 아노디 및 음극 잠재력을 측정하기 위해 시간이 지남에 따라 탐구될 수 있다.

이러한 모든 기술에서, 심지어 갈바노정성 작동 중에, potentiostat는 적용된 전위를 제어하고 작동 전극에서 (에서) 작동 전극으로 작동 전극의 흐름을 측정(에서) 작동 전극이 양극 (음극)으로 작동할 때. 적용된 전위는 다공성 프릿을 통해 전해질 용액과 인터페이스되는 공지되고 안정적인 전위와 함께 레독스 시스템(예: 은염화물 전극 또는 포화 칼로멜 전극)을 포함하는 기준 전극에 대해 언급된다. 정상 작동 중에 potentiostat는 표준 전극을 통해 무시할 수 있지만 제로가 아닌 전류를 그려 서 작동 전극에 정확한 전위를 적용할 수 있습니다. 전위요능력은 전자의 흐름을 반반응에서 다음 반응으로 측정하지만, 전해질 용액은 양극이나 음극에서 전하 축적을 방지하여 회로를 완성합니다.

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Procedure

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1. 촉매 잉크 및 작업 전극 준비

안전 예방 조치: 카본 블랙에 지원되는 금속은 흡입 위험이 있기 때문에 서스펜션 형태로 될 때까지 연기 후드 또는 밸런스 인클로저에서 처리해야합니다.

  1. 밀폐된 균형을 사용하여 5-10 mg의 금속/카본 블랙 촉매를 계량하고 캡이 있는 유리 바이알에 추가합니다.
  2. 마이크로피펫을 사용하여, 최종 농도가 mL 당 7.5 mg의 촉매가 될 정도로 물로 촉매를 희석시다.
  3. 초음파 처리 하는 동안, 100 μL 의 Nafion 117 물 mL 당 용액 은 현탁액에 추가됩니다.
  4. 잉크는 탄소 검정지지체와 결합제의 균일한 분산 및 완전한 혼합을 보장하기 위해 최소 10분 동안 초음파 처리되어야 합니다.
  5. 잉크가 초음파 처리되는 동안, 3mm 유리 탄소 디스크 전극은 0.05 μm 알루미나 용액으로 덮인 부드러운 알루미나 패드의 소용돌이 원형 모션으로 문지르면 세척하고 연마해야 합니다. 그런 다음 알루미나를 제거하기 위해 물로 풍성하게 헹구어야합니다.
  6. 다음으로, 7 μL의 잉크는 세련되고 수직 지향적인 3mm 유리 카본 디스크 전극에 떨어지립니다. 촉매가 공기에 민감한 경우 촉매가 공기 안정또는 약한 진공 하에서 증발하는 경우 작동 전극은 80°C에서 1h로 건조됩니다.

2. 전기 화학 세포 준비

안전 예방 조치: 장갑, 실험실 코트 및 안전 안경은 항상 착용해야하지만 황산 용액을 작업하는 데 특히 중요합니다. 용액 방울이 손목에 흘러 들어오면 15 분 동안 비누와 물로 씻어야합니다. 주요 유출의 경우, 오염된 의류의 제거및 안구세척제 나 샤워를 15분 동안 사용한 다음 의학적 상담을 받아야 합니다. 전기 리드는 전기 화학 전지에 한 번 닿지 않아야합니다.

  1. 유리 셀은 0.5 M H2SO4의 10mL로 채워지고 초고순도 질소 스트림으로 적어도 30 분 동안 탈유됩니다.
  2. 전기 화학 세포의 테프론 캡에는 작동 전극, 카운터 전극 및 기준 전극을 위한 3개의 포트가 있습니다.
  3. Ag/AgCl 기준 전극은 1M KCl 용액에서 제거되고 DI 물로 완전히 헹구고 셀에 배치됩니다.
  4. 플래티넘 와이어 카운터 전극은 DI 물로 철저히 헹구고 셀에 배치됩니다.
  5. 건조 된 작업 전극은 DI 물로 헹구고 셀에 배치됩니다.
  6. 전위요타가 켜져 있습니다.
  7. 백색 전극 납은 먼저 연결되고 기준 전극에 연결됩니다.
  8. 그런 다음 적색 전극 납이 Pt 와이어 카운터 전극에 연결됩니다.
  9. 녹색 전극 납은 금속 / 탄소 검은 색 작업 전극에 연결됩니다.
  10. 작은 N2 퍼지 스트림은 전해질에 지속적으로 버블링됩니다.
  11. 리드가 닿지 않고 0.5 M H2SO4 전해질 이외의 3 전극 사이에 직접 전기 접촉이 없는지 확인합니다.

3. 전기 화학 분석

  1. potentiostat를 켠 후 CV를 사용하여 50 mV /s에서 0에서 0.4 V 대 RHE 사이의 최소 20 개의 컨디셔닝 사이클을 수행하십시오. 이는 이력서를 기술로 선택하고 스캔 속도뿐만 아니라 상한 및 하부 잠재적 한계를 입력하여 수행됩니다.
  2. 그런 다음 선형 스윕 Voltammetry(LSV)는 LSV를 기술로 선택하고 시작 잠재력, 최종 잠재력 및 스캔 속도를 지정하여 수행할 수 있습니다. LSV의 스캔 속도는 일반적으로 CV보다 훨씬 적기 때문에 정전 용량 전류가 faradaic 표면 반응에서 발생하는 전류보다 훨씬 낮게됩니다.
  3. 크로노암페로메트리(CA)는 CA 또는 "Amperometric i-t 곡선"을 기술로 선택하고 고정 된 전위뿐만 아니라 계측기가 이 고정 된 전극을 보유해야하는 시간을 지정하여 수행됩니다.
  4. 크로노포티오메트리(CP)는 CP를 기술로 선택하여 수행됩니다. CP는 특정 시간 동안 하나의 전류를 지정한 다음 지정된 시간 동안 새 전류를 지정하는 일련의 현재 단계에서 수행할 수 있습니다. 이러한 적용 된 전류는 동일한 CP 측정 내에서 무음 및 음극 전류모두에 걸쳐 있을 수 있습니다.
  5. 전기 화학 분석이 완료되면 전위요타기를 끕니다.
  6. 전극 리드를 분리하고 부식을 방지하기 위해 액체에서 멀리 건조한 장소에 보관하십시오.
  7. 기준 전극을 제거하고 풍부한 양의 DI 물로 헹구는 것입니다. 그런 다음 기준 전극을 1M KCl 스토리지 솔루션으로 직접 반환합니다. 이 전극의 끝은 건조해서는 안됩니다.
  8. Pt 와이어 카운터 전극을 제거하고 DI 물로 완전히 헹구십시오.
  9. 작동 전극을 제거하고 DI 물로 철저히 헹구고 아세톤으로 김스 와이프를 사용하여 작동 전극 표면에서 말린 촉매 잉크를 쉽게 제거하십시오. 사용 후 즉시 전극을 연마하는 것이 좋습니다.
  10. N2 제거를 끕니다.
  11. 사용된 전해질을 산성 폐기물 용기에 비웁습니다. 유리 셀과 테플론 캡을 풍부한 양의 DI 물로 헹구습니다.

전위요스타트-갈바노스타스트는 전기화학적 특성화에서 가장 일반적으로 사용되는 계측기이며, 화학 반응에 대한 전기적 변화의 효과를 이해하는 데 사용됩니다.

강력한 이스타스타트-갈바노스타스트는 전기화학 시스템에 사용되는 기기입니다. 그것은 potentiostat 모드에서 적용 된 잠재력에 전류를 측정, 또는 갈바노스타트 모드에서 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 단순성으로, 악기는 일반적으로 potentiostat라고합니다.

산화 감소, 또는 레독스, 반응은 전극 표면에서 발생하고 전자의 전달을 포함한다. 특히, 화학종에서 전자의 손실은 산화의 경우, 또는 감소의 경우 전자의 이득이다. 이 레독스 이벤트는 전압이라고도 하는 적용된 전위 E에 의해 유도될 수 있습니다.

이 비디오는 강력한 iostat를 사용하여 전기 화학 적 테스트의 설정 및 성능을 보여줍니다.

대부분의 경우, 레독스 이벤트는 3전극 세포를 통해 전위요스타트에 결합된다. 3전극전지는 작동 전극, 카운터 또는 보조 전극 및 기준 전극으로 구성됩니다. 작동 전극은 관심의 반응이 발생하는 곳이며, 카운터 전극은 전기 회로를 완료하는 데 사용된다.

적용된 전위는 알려진 안정적인 전극 전위, E. 공통 기준 전극은 포화 칼로멜 전극 및 교정 목적으로 사용되는 가역수소 전극을 포함하는 레퍼런스 전극에 대해 측정된다. Ag/AgCl 전극은 일반적으로 전기 화학 적 테스트에 사용되며 다공성 프릿을 통해 전해질 용액과 인터페이스됩니다.

전기화학 세포는 산성, 알칼리성 또는 염액과 같은 고이온 강도 전해질 용액으로 채워져 있습니다. 전해질 용액은 전극에서 전하 축적을 방지합니다.

전기 화학 실험에서, 잠재적, 전류, 시간 및 전하는 모두 전위요타트에 의해 조작되거나 측정될 수 있다. 작동 전극이 음극역할을 할 때 전자는 카운터 전극에서 작동 전극으로 흐른다. 양전하 이온 또는 양이온은 음극으로 흐르고 있습니다. 그 반대는 작동 전극이 양극역할을 할 때 사실입니다. 음전하 이온 또는 음이온이 양극으로 흐르고 있습니다.

조작및 측정된 파라미터를 선택함으로써 여러 측정 기술이 가능합니다. 크로노암페롬법은 작업 전극에 잠재적인 단계가 적용되는 기술이며, 그 결과 전류 변화는 시간의 함수로 측정된다. 작업 전극에서 전기 화학 반응을 일으킬 만큼 잠재적 인 단계가 커지면 현재가 변경됩니다. 이 기술은 반응 역학에서 확산 계수의 결정과 같은 많은 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

마찬가지로, 크로노포티오메트리는 상수 또는 다양한 전류가 적용되고, 전위가 시간의 함수로서 측정되는 기술이다. 적용된 전류는 전기활성 종을 특정 속도로 산화 또는 감소시키는 원인이 됩니다. 이 기술은 반응 진행의 결정과 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

Voltammetry는 적용된 잠재적 스윕과 관련하여 무음 및 음극 전류를 측정합니다. 이 측정은 일정 속도로 잠재력의 증가 또는 감소 하는 동안 화학 종에서 전자의 추가 또는 제거를 검사 합니다. 순환 형 voltammetry, 또는 CV는이 컬렉션의 다른 비디오에서 별도로 깊이 로 덮여있다.

이제 볼타메트리의 기초가 다루어졌으니, 3전극 전극과 표면바운드 촉매를 갖는 작동 전극의 제조가 실험실에서 입증될 것이다. 이 데모에서 촉매 잉크는 탄소 검정 지지체의 백금 나노 입자로 구성된 나노 입자를 제조하고 측정할 것이며 Nafion 결합제. 이 시스템은 현재 연료 전지 및 배터리 연구를 대표합니다.

시작하려면 연기 후드에 금속 /카본 블랙 촉매 7.5 mg의 무게를 달고 유리 유리 바이알에 추가하십시오. 촉매를 1mL의 물로 희석하고 Nafion 117의 100 μL을 추가한 다음 유리병을 캡합니다.

나피온과 카본 블랙 지지체의 균일한 분산과 완전한 혼합을 보장하기 위해 얼음에 혼합물을 10분 이상 초음파 처리합니다. 잉크가 초음파 처리되는 동안 3mm 유리 탄소 디스크인 작동 전극을 준비합니다.

0.05 μm 콜로이드 알루미나 용액으로 덮인 부드러운 패드에 소용돌이치는 원형 동작으로 부드럽게 문지르면 전극을 깨끗하고 연마합니다. 연마 후, 알루미나를 제거하기 위해 탈이온 된 물로 전극을 듬부게 헹구는 다.

다음으로, 7mL의 잉크가 연마된 수직 지향 유리 탄소 전극에 떨어지립니다. 실온에서 진공 상태에서 작동 전극을 건조시. 그런 다음 촉매 나노 입자가 공기안정인 경우 1시간 동안 80°C로 건조시킵니다.

먼저 유리 전기화학 전지를 전해질의 10mL로 채웁니다. 세 전극에 대한 개구부와 테플론 캡으로 전기 화학 전지를 캡. 레독스 활성 산소를 제거하기 위해 초고순도 질소 가스를 사용하여 최소 30분 동안 전해질을 탈가스로 제거한다. 질소가 실험 전반에 걸쳐 가볍게 거품을 내도록 합니다.

3M NaCl 스토리지 솔루션에서 Ag/AgCl 기준 전극을 제거합니다. 전극을 탈온화된 물로 철저히 헹구고 전기 화학 세포에 넣습니다.

다음으로, 백금 와이어 카운터 전극과 건조 된 작업 전극을 탈온화 된 물로 헹구고 셀에 삽입합니다. 전극이 닿지 않도록 합니다. 전위요스타트를 켜고 리드를 참조 및 카운터 전극에 연결합니다.

초당 50mV의 상부 및 하부 전위 한계 사이에 순환 볼탐트리 스캔을 실행하여 최소 20회 컨디셔닝 사이클을 수행합니다. 이 단계는 전극 표면이 완전히 수화되도록 합니다.

선형 스윕 voltammetry 또는 LSV는 초기 및 최종 전위 및 스캔 속도를 지정하여 수행할 수 있습니다. LSV의 스캔 속도는 일반적으로 CV의 검사 속도보다 낮습니다. 그 결과 스캔에서 피크로 시각화된 산화 또는 감소 이벤트가 있는 잠재적 대 전류의 플롯이 생성됩니다. 이 경우, 전해질내의 과염소산염은 음극 스캔에서 촉매 표면상에서 감소되었다.

크로노암페로메트리를 수행하려면 기술로 선택한 다음 고정 된 전위와 시간을 지정합니다. 결과는 현재 와 시간의 플롯입니다. 초기 붕괴는 정전 용량 방출로 인한 반면, 정상 상태 부분은 본질적으로 직선입니다. 크로노암페로메트리는 전능성이므로 정전 효과의 초기 점착붕괴 후 표면 반응에 기인하는 전류를 분리할 수 있다.

마지막으로 크로노포티오메트리는 특정 시간 동안 하나의 전류가 지정된 일련의 현재 단계에서 수행됩니다. 현재가 0에서 작업 전류로 전환될 때마다 잠재 잠재력이 초기 최대 변경되고 상태가 정상 상태가 됩니다. 각 온/오프 사이클 후, 안정적인 촉매 물질은 지정된 전류를 구동하는 동일한 과전을 필요로한다.

전위요능력의 전기화학적 측정은 분석 및 제조에 널리 사용됩니다.

전기 화학은 전극에 프로브 분자의 결합을 분석하는 데 사용됩니다. 이 예에서, 전극은 미세 유체 채널 내에서 패턴화되고, 단 하나 좌초된 DNA로 기능화되었습니다. DNA가 무료 가닥과 혼성화되었을 때, 레독스 부부는 전극 표면에서 차단되었습니다.

DNA 혼성화는 3개의 프로브 전극을 사용하여 전극을 전동을 전동에 전동을 전동을 전보하여 측정되었다.

임피던스 측정, 전류 흐름에 대한 저항의 척도, 무료 DNA 농도를 증가시키는 것은 임피던스 증가, 따라서 하이브리드화를 증가 것으로 나타났다.

다음으로, 전기 화학 공정은 전극에 생물막의 성장을 모니터링하고 특성화하기 위해 사용되었다. 이를 위해 전해질이 세포 국물인 3전극전지가 조립되었다.

생물막의 성장은 정확한 측정 및 재현 가능한 배양 조건을 달성하기 위해 크로노암페로메트리를 사용하여 모니터링되었습니다.

전기 화학 기술은 또한 전극 표면에 박막 과 층의 제조에 사용될 수있다. 전기 신호는 전극 표면에서 지역화된 환경을 트리거하여 재료의 자체 조립을 유도할 수 있습니다.

이 예에서, 생체 재료의 증착은 전극을 사용하여 수행되었다. 바이오 폴리사카라이드인 치토산은 전극 표면에서 솔젤 전환을 거치며 필름을 제작한다.

당신은 단지 강력한iometry에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 일반적인 3전극 셀을 설정하는 방법을 이해하고 기본적인 전기 화학 적 테스트를 수행해야합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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이 프로시저는 4가지 기술 각각에 대해 측정된 전류 및 잠재력 플롯을 포함하는 수치를 생성합니다. CV 및 LSV에 대한 협약에 따라 플롯은 현재와 잠재력의 시간 유도체를 측정하는 일시적인 기술이라는 현실에도 불구하고 측정된 전류 와 잠재력으로 출력됩니다.

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Applications and Summary

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CV, LSV, CP 및 CA는 연료 전지, 전해질기, 배터리 및 슈퍼 커패시터에 대한 새로운 전극 재료의 효능을 결정하고 상품 화학 물질의 선택적 부분 산화 또는 감소와 같은 분야를 개발하기위한 필수 기술입니다. 이러한 방법을 사용하면 열역학 적 평형 잠재력에 비해 다른 전극 재료에 대한 반응의 과전 잠재력을 결정할 수 있습니다. 이러한 방법을 통해 슈퍼커패시터의 체적 또는 중력 적 정전용량이 결정될 수 있습니다. 마찬가지로, 배터리 전극 또는 슈퍼 커패시터의 충전/방전 속도는 이러한 기술로 결정할 수 있습니다. 이러한 기술은 또한 물질의 전기화학적 안정성의 특성화를 가능하게 한다. 이러한 기본 기술 외에도 보다 진보된 기술에는 IR 및 질량 분석과 같은 피상적 기법과 전형적 기술의 조합이 포함됩니다.

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Transcript

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