Overview
ソース: 博士ユーリー ・ ローマンの研究所-マサチューセッツ工科大学
ポテンショスタット/galvanostat (単に電気化学測定装置とも呼ばれる) が応用の可能性 (定操作) で現在の措置または電位印加電流 (定電流動作) を測定する計測器 (図 1)。燃料電池、電解槽、電池、スーパーキャパシタの陽極および陰極材料の電気化学的特性評価で最もよく使用される楽器です。
従来、これらのアノードとカソード材料は 3 電極電気化学セルを介して電気化学測定装置と接続しました。電極リード線、ポテンシオスタットからは (興味の試験材料を含む) の作用電極、(補助電極とも呼ばれる) カウンター電極、参照電極に接続されます。電気化学セルは、酸性、アルカリ性、または塩のソリューションなどの高イオン強度電解質溶液で埋められます。この高いイオン強さの解決のためのメディアは通常水溶液です。ただし、用電池やスーパーキャパシタなどの潜在的な窓、セルを高め、動作を施行した非水溶液がよく使用されます。携帯メディアに脱気 (望ましくない副反応を防ぐ) ため不活性ガス、試験ガス (存在する場合は、テストの反応は、電極の一つの気体を含む)。
また、塩橋または膜を採用して場合、イオンの接触を維持するために 2 つ半分のセルに異なる電解質で測定されるあります。異種電極の作用電極でテスト分子も、対極の反応である場合、このタイプの「2 つのコンパートメント」細胞はよく使用されます。これは通常用いられる対極は多くの反応のための高活性触媒である白金と頻繁に起こる。ここでは、そのすべての 3 つの電極が同じメディアでは、単一コンパートメントのセルが使用されます。
このビデオは、作用電極の研磨、作用電極上の触媒インクを取り付け触媒インクを準備して、電気化学セルを準備する、電気化学測定を実行することのプロセスを説明します。実行される測定が含まれます: サイクリックボルタンメトリー (CV)、線形掃引ボルタンメトリー (LSV)、溶出クロノポテンショメトリー (CP)、クロノアンペロメトリー (CA)。
図 1。単一コンパートメント電気化学セルの例。a.) テフロン キャップ、b)ガラス細胞、c.)白金ワイヤ カウンター電極、d.)作用電極、e)Ag/AgCl 電極、f.)0.5 M 硫酸水溶液中の電解質溶液。
Principles
作用電極に定数陽極または陰極電位を適用して生成された陽極または陰極電流 (クロノアンペロメトリー) を測定、電気化学測定装置を使用ことができます。 または、ポテンショスタットがフィードバック制御ループを介して作動させた galvanostatically および測定時間とさまざまな可能性を秘めた適用これを現在維持 (溶出クロノポテンショメトリー) 一定の陽極または陰極電流を適用できます。また、対応用潜在的なスキャン率 (時間に関して潜在的な派生物) アノードとカソードの電位を測定するサイクリックボルタンメトリーまたは線形掃引ボルタンメトリーを使用する時間と潜在的なスペースを検討する可能性があります。
定電流操作中であっても、これらの技術のすべてのポテンショスタットは適用される可能性を制御し、作用電極を負極 (陰極) として動作しているとき (に) () カウンター電極からを作用電極からの電子の流れを測定します。とのインターフェース多孔性ガラスフリットによる電解質溶液である知られている、安定したポテンシャルを持つ酸化還元システム (塩化銀電極やカロメル電極) などが含まれている参照電極に対して適用される可能性を参照します。通常の動作中、ポテンショスタットは正確な電位が作用電極に適用できるように、参照電極を無視できるが、ゼロ電流を描画します。ポテンシオスタットの措置またはへの 1 つの半分の反応からの電子の流れは、電解質溶液は陽極または陰極での電荷の蓄積を防止することにより、回路を完了します。
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Procedure
1. 触媒インクと電極作製
安全上の注意:カーボン ブラックでサポートされている金属は、粉末吸入の危険性は、懸濁液の形ではそれまでヒューム フードやバランス筐体に扱われなければなりません。
- 囲まれたバランスを使用して、黒い金属/カーボン触媒の 5-10 mg を量りし、キャップをガラス瓶に追加します。
- 最終濃度が 1 mL の水に触媒の 7.5 mg になるよう、水と触媒を希釈ピペットを使用して。
- Sonicating 中、懸濁液 100 μ L の水の mL あたり Nafion 117 ソリューションが追加されます。
- インクは、均一分散を確保し、結合剤を混ぜてカーボン ブラック サポートの完全な少なくとも 10 分間超音波処理する必要があります。
- インクは sonicating 間 3 mm ガラス状カーボン ディスク電極のクリーンアップおよびソフト アルミナ パッドの旋回円を描くそれは 0.05 μ m のアルミナ溶液で覆われている摩擦によって磨かれました。アルミナを削除する水でおびただしくそれ洗浄する必要がありますし。
- 次に、洗練された、垂直方向の 3 mm ガラス状カーボン ディスク電極上にインクの 7 μ L を滴下します。作用電極は、触媒が空気安定または 30 分弱真空下で蒸発触媒が空気に敏感な場合場合 1 h の 80 ° C で、乾燥させます。
2. 電気化学セル準備
安全上の注意:手袋、白衣、安全メガネ、常に着用する必要がありますが、硫酸溶液を扱うため特に重要です。ソリューションの任意の滴は手首に流出する必要があります、それは石鹸と 15 分間水で洗浄する必要があります。主要な流出医療相談が続く 15 分の汚染された衣類の取り外しそして洗眼やシャワーの使用を使用する必要があります。一度電気化学セル上に置かれた電気のリードに触れてはなりません。
- ガラスセルは SO4 0.5 M H2の 10 mL で満ちていると超高純度窒素ストリームと少なくとも 30 分脱
- 電気化学セルのテフロン キャップ作業電極、対向電極、参照電極の 3 ポートがあります。
- 銀/塩化銀参照電極をその 1 M の KCl の解決策から削除、DI 水で十分に洗浄されセルに配置されます。
- 五十九白金対極は DI 水ですすぎ、そのセルに格納されます。
- 乾燥作用電極は純水で洗浄、セルに配置されます。
- ポテンシオスタットをオンにします。
- 白い電極リードを最初に接続し、参照電極に接続されています。
- 赤い電極の鉛、白金ワイヤ カウンター電極に接続されます。
- 緑の電極リード金属/カーボン ブラック作用電極に接続されます。
- 小さな N2パージ ストリームを継続的に電解液の泡立ちとなっています。
- リードは触れていないと無い 0.5 M H2以外 3 電極間の電気接触だから4電解質。
3. 電気化学的解析
- 少なくとも 20 0 と 0.4 V vs. RHE 50 サイクルの調節を実行、ポテンシオスタットを投入後 mV/s CV を使用して。これは、技術としての CV を選択でき、潜在的な上限と下限を入力によって実行されますだけでなく、スキャン レートを制限します。
- 線形掃引ボルタンメトリー (LSV) は、手法として LSV を選択し開始可能性、最終的な潜在性、スキャン速度を指定する実行できます。LSV のスキャン率は容量性電流はファラデーの表面反応から生じる電流よりも低くなるように、通常これ CV、通常 1-2 mV/s よりもはるかに少ない
- クロノアンペロメトリー (CA) が CA を選択することによって行われるまたは「電流 i t 曲線」手法と固定の可能性だけでなく、時間の長さを指定する楽器はこの固定潜在性として作用電極を保持する必要が。
- 溶出クロノポテンショメトリー (CP) は CP 手法として選択することによって実行されます。CP は、一連の時間の指定された長さの新しい潮流が続く時間の特定の長さの現在の 1 つが指定されている現在の手順で実行できます。これらの応用の電流は、同じ CP 測定内の陽極および陰極電流をまたがることができます。
- 電気化学的分析が完了したとき、ポテンシオスタットをオフにします。
- 電極リード線を外し、腐食を防ぐために任意の液体から、乾燥した場所に保管します。
- 参照電極を削除、DI 水のおびただしい量ですすいでください。その 1 M の KCl のストレージ ソリューションに直接参照電極が戻ります。この電極の先端が乾燥になるためできませんでした。
- 白金ワイヤ カウンター電極を削除し、DI 水で完全にすすぎます
- 作用電極を削除、DI 水で完全にすすぎます、アセトンで簡単に作業電極面から乾燥触媒インクを削除する、キムワイプを使用します。使用後すぐに電極を磨くことをお勧めします。
- N2パージをオフにします。
- 酸性廃棄物コンテナーに使用される電解質を空にします。ガラスセル、DI 水のおびただしい量のテフロン キャップをすすいでください。
電気化学測定装置 galvanostat は、最も一般的電気化学的特性の計測器を使用し、化学反応に及ぼす電気的変化を理解するために。
電気化学測定装置 galvanostat は、電気化学的システムで使用される楽器です。電流ポテンショスタット モード、またはその逆 galvanostat モードで適用される可能性を測定します。わかりやすくするため、計測器は、ポテンショスタットと一般的に呼ばれます。
酸化、または還元反応は、電極表面で発生し、電子の移動を伴います。特に、化学種の電子の損失は、酸化のケースまたは削減の場合電子の獲得です。この酸化還元のイベントの応用可能性、E、電圧とも呼ばれるによって誘導されうる。
このビデオのデモンストレーションをセット、電気化学のパフォーマンス テスト、ポテンシオスタットを使用します。
ほとんどの場合、酸化還元イベントは 3 電極セルを介して電気化学測定装置に結合されています。3 電極セルは作用電極、カウンターや補助電極、参照電極から成っています。作用電極は興味の反応が発生すると、し、カウンター電極電気回路を完了するために使用です。
知られている、安定した電極電位で酸化還元システムを含む参照電極に対して適用される可能性を測定、E. 共通参照電極カロメル電極と可逆水素電極校正のために使用されています。銀/塩化銀電極、電気化学のテストで使用され、多孔性ガラスフリットによる電解質溶液とインターフェースです。
電気化学セルは、酸性、アルカリ性、または塩のソリューションなどの高イオン強度電解液でいっぱいです。電解質溶液を電極に電荷の蓄積を防ぐことができます。
電気化学実験では、潜在的な現在、時間と料金すべて操作したり、電気化学測定装置によって測定されます。作用電極がカソードとして機能しているとき働く電極に対向電極から電子の流れ。正荷電イオン、あるいは陽イオン、陰極に流れます。逆は、作用電極は陽極として機能している場合に当てはまります。負荷電の陰イオン、陽イオン、または流れ陽極に。
操作と測定パラメーターを選択すると、測定技術の数が可能です。クロノアンペロメトリーは潜在的なステップが作用電極に適用される結果の現在の変更は、時間の関数として測定手法です。潜在的なステップが作用電極の電気化学的反応を引き起こすのに十分な大きさと、現在を変更します。この手法は、反応速度論の拡散係数測定など様々 なアプリケーションに使用できます。
同様に、溶出クロノポテンショメトリー手法が定数または様々 な電流を適用すると、可能性が時間の関数として測定されます。印加電流を引き起こすゲルロボット種酸化または一定の割合で減少します。この手法は、反応の進行の決定などのアプリケーションの範囲の使用されます。
ボルタンメトリー応用潜在的なスイープに関して陽極そして陰極電流を測定します。この測定は、追加または増加中の化学種から電子の除去または一定速度ポテンシャルの低下を調べます。サイクリックボルタンメトリー、または履歴書は、このコレクション内の別のビデオで別の深さで覆われています。
ポテンショメトリーの基礎をカバーしている、今、3 電極セル、表面のバインドされた触媒作用電極の作製を研究室で実証されます。このデモでは触媒インク準備し、測定、ナフィオン結合剤で、カーボン ブラックのサポートにおける白金ナノ粒子から成っています。このシステムは、現在の燃料電池とバッテリーの研究の代表です。
まず、発煙のフードで 7.5 mg 黒金属/炭素触媒の重量を量るし、ガラスの瓶を追加します。1 mL の水と触媒を希釈し、Nafion 117 の 100 μ L を追加し、バイアルのキャップします。
超音波分散を確認しカーボン ブラック サポート、ナフィオン混合完了、少なくとも 10 分間氷の上混合物。インクを sonicating、3 mm ガラス状カーボン ディスク作用電極を準備します。
きれいにし 0.05 μ m のアルミナ コロイド溶液で覆われた柔らかいパッドで旋回、円形を描くように軽くこすることによって電極を磨きます。研磨後に、アルミナを削除する脱イオン水でおびただしく電極をすすいでください。
次に、洗練された、垂直方向のグラッシー カーボン電極上にインクの 7 mL を滴下します。部屋の温度で真空下で作用電極を乾燥させます。それからそれを乾燥 80 ° C で 1 時間の触媒ナノ粒子が空気安定している場合。
まず、10 ml の電解質のガラス電気化学セルを入力します。3 つの電極のための開口部を持つテフロン キャップと電気化学セルのキャップします。レドックス活性酸素を除去するために解き放つガス超高純度窒素ガスで少なくとも 30 分間電解質。実験を通して軽くバブルに窒素を許可します。
その 3 M NaCl ストレージ ・ ソリューションから銀/塩化銀参照電極を削除します。脱イオン水で徹底的に電極を洗浄し、電気化学セルに配置。
次に、リンス プラチナ ワイヤ カウンター電極や脱イオン水で乾燥作用電極とセルに挿入します。電極が触れないことを確認します。電気化学測定装置、電源、リファレンスとカウンター電極にリード線を接続します。
少なくとも 20 の上部と下部の間サイクリックボルタンメトリー スキャンを実行して、サイクルを調節を行う 50 潜在的な限界 1 秒あたり mV。これにより電極の表面が完全に水和します。
線形掃引ボルタンメトリー、または、LSV は初期および最終のポテンシャルとスキャン レートを指定することによって実行できます。LSV のスキャン率は通常の履歴書よりも少ないです。結果は、現在のスキャンのピークとして視覚化の酸化または還元イベントと対潜在的なプロットです。この場合、カソードのスキャンでは触媒表面に電解液に過塩素酸塩は減った。
クロノアンペロメトリーを実行するには、技術として, それを選択し、固定の可能性と時間を指定します。電流対時間のプロットが作成されます。初期減衰は静電放電による定常部分は基本的に直線です。クロノアンペロメトリー定電位でありこうして容量性効果の初期の漸近崩壊後は、表面反応に起因する電流を分離にすることができます。
最後に、溶出クロノポテンショメトリー、一連の時間の特定の長さの現在の 1 つが指定されている現在のステップで実行されます。たびに動作中の現在、潜在的な初期の漸近的変更があるゼロから現在のスイッチは続いて安定した状態。オン/オフのサイクルごとに後、安定した触媒材料特定の電流を駆動する同じ過剰ポテンシャルが必要です。
ポテンショスタット、電気化学測定は分析と試作で広く使用されます。
電気化学電極プローブ分子の結合の分析に使用します。この例では、電極マイクロ チャンネル内でパターン、単鎖 DNA 修飾します。無料の鎖と DNA を交配すると、レドックスのカップルが電極表面でブロックされました。
DNA ハイブリダイゼーションは、3 つのプローブ電極を用いたポテンシオスタットに電極を接続することにより、測定しました。
インピー ダンス測定、電流の流れへの抵抗の測定は、無料 DNA 濃度を増やす増加インピー ダンスの結果し、そのため交配を増加を示した。
次、電気化学的プロセスは、監視および電極上のバイオ フィルムの成長を特徴付けるに使用されました。このため、3 電極セルは、セル スープの中の電解液と組み立てていた。
バイオ フィルムの成長は、正確な測定と再現可能な培養条件を達成するために測定を使用して監視されました。
電気化学的手法は、薄膜の作製と電極表面層の作製にも使用できます。電気信号をトリガーを誘導できる電極表面でローカライズされた環境、材料の自己組織化。
この例では、生体材料の成膜を電解析出法により行った。キトサン、biopolysaccharide は、映画を作成する電極表面でのゾル-ゲル転移を経る。
ポテンショメトリーのゼウスの概要を見てきただけ。今、典型的な 3 電極セルを設定し、基本的な電気化学的テストを実行する方法を理解する必要があります。
見てくれてありがとう!
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Results
この手順は、各 4 つの技術の潜在的な対の測定された流れのプロットを含む数字になります。CV および LSV の慣例として、プロットも出力されます現実にもかかわらず潜在的な対測定電流と電流を測定する一時的な技法であること潜在的な時間微分対。
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Applications and Summary
CV、LSV、CP、および CA は、燃料電池、電解槽、電池、および部分的な濃化または商品の化学薬品の削減などの分野の開発は同様にスーパーキャパシタ用新電極材料の有効性を決定するための必要不可欠な技術です。これらのメソッドにより、熱力学の平衡電位と比較して異なる電極材料の反応の過電圧を決定します。これらのメソッドには、決定するスーパーキャパシタの体積または重量容量ができます。同様に、これらの技術と電池やスーパーキャパシタの充電/放電の速度を決定できます。これらのテクニックは、未定の材料の電気化学的安定性の特性を有効にできます。これらの基本的な手法とそれ以降より高度な技術は、IR や質量分析法などの in-situ メソッドと電位差の技術の組み合わせを含んでいます。
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