Overview
Quelle: Labor von Dr. Yuriy Román-Massachusetts Institute of Technology
Ein Potentiostaten/Galvanostat (oft einfach ein Potentiostaten genannt) ist ein Instrument, das misst Strom bei einer angewandten Potenzial (potentiostatischer Betrieb) oder misst einen angelegten Strom (Galvanostatic Betrieb) voll auszuschöpfen (Abbildung 1). Es ist das am häufigsten verwendete Instrument in die elektrochemische Charakterisierung von Anode und Kathode Materialien für Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren.
Konventionell werden diese Anode und Kathode Materialien mit einem Potentiostaten über eine drei-Elektroden elektrochemische Zelle angeschlossen. Die Elektrodenkabel aus dem Potentiostaten sind verbunden die Referenzelektrode, die Gegenelektrode (oft die Hilfselektrode genannt) und die Arbeitselektrode (enthält das Testmaterial von Interesse). Die elektrochemische Zelle wird mit einer hohen Ionenstärke-Elektrolyt-Lösung, wie eine Lösung sauer, alkalisch oder Salz gefüllt. Das Medium für diese hohe Ionenstärke-Lösung ist in der Regel wässrigen; Allerdings ist für Anwendungen erfordern höhere operative Zellfenster potential, wie Batterien und Superkondensatoren, nichtwässrigen Medien oft verwendet. Die Zelle-Medien ist mit einem Inertgas (um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden) oder mit einem Testgas entgast, (wenn die Testreaktion ein Gas bei einer der Elektroden beinhaltet).
Alternativ eine Salzbrücke oder Membran wird eingesetzt, um ionische Kontakt zu halten, wenn die beiden halben Zellen sind in verschiedene Elektrolyte gemessen werden. In heterogenen Electrocatalysis ist diese Art von "zwei Fach" Zelle oft verwendet, wenn das Test-Molekül an der Arbeitselektrode auch reaktiv bei der Counterelectrode ist. Dies geschieht häufig, wie die Counterelectrode, die i. d. r. Platin, die hochaktive Katalysator für viele Reaktionen ist. Hier werden Einzelkammer Zellen verwendet werden, wo alle drei Elektroden sind in den gleichen Medien.
Dieses Video wird das Polieren eine Arbeitselektrode, Vorbereitung einer Katalysator-Tinte, Montage der Katalysator-Tinte auf die Arbeitselektrode, Vorbereitung der elektrochemische Zelle und dann ausführen elektrochemische Messungen erklärt. Enthalten die Messungen, die ausgeführt werden: zyklischer Voltammetrie (CV), linear Sweep Voltammetrie (LSV), Chronopotentiometry (CP) und Chronoamperometry (CA).
Abbildung 1: Ein Beispiel für eine elektrochemische Zelle Einzelkammer. (a.) Teflon Cap, b.) Glas Zelle, C.) PT Draht Gegenelektrode, d.) Arbeitselektrode, e.) Ag/AgCl Bezugselektrode, f.) 0,5 M wässrige Schwefelsäure-Elektrolyt-Lösung.
Principles
Die Potentiostaten kann verwendet werden, um eine konstante anodische oder Kathode Potenzial für die Arbeitselektrode gelten und Messen Sie den daraus resultierenden anodischen und kathodischen Strom (Chronoamperometry) oder dem Potentiostaten kann betriebenen Galvanostatically über einen Feedback-Regelkreis und anodische und kathodische Konstantstrom mit das gemessene Potential mit der Zeit variieren, dies galt aktuelle beizubehalten (Chronopotentiometry) gelten. Alternativ kann potenzieller Raum mit der Zeit mit zyklischer Voltammetrie oder linear Sweep Voltammetrie um zu messen, anodische und kathodische Potentiale im Vergleich zu einer angewandten potenzielle Scan-Rate (die Ableitung des Potentials in Bezug auf Zeit) erkundet werden.
In alle diese Techniken auch im Galvanostatic Betrieb dem Potentiostaten steuert das angewandte Potenzial und misst den Fluss von Elektronen aus (an) die Arbeitselektrode zur (Gegenelektrode aus), wenn die Arbeitselektrode als Anode (Kathode) handelt. Das angewandte Potenzial wird verwiesen gegen die Bezugselektrode, enthält ein Redoxsystem (z. B. einer Silberchlorid-Elektrode oder gesättigt Kalomel-Elektrode) mit einem bekannten und stabil, die mit der Elektrolyt-Lösung über eine poröse Fritten verbunden ist. Während des normalen Betriebs zeichnet die Potentiostaten einen vernachlässigbaren, aber ungleich Null Strom durch die Bezugselektrode, sodass eine genaue Potenzial auf die Arbeitselektrode angewendet werden kann. Während die Potentiostaten den Fluss der Elektronen zu oder von Hälfte Reaktion auf die nächste misst, vervollständigt die Elektrolyt-Lösung die Schaltung kostenlos Anhaftungen an der Anode oder Kathode zu verhindern.
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Procedure
(1) Katalysator Tinte und Elektrode Vorbereitung arbeiten
Sicherheitshinweise: Metalle auf Ruß unterstützt müssen in einem Dunst Haube oder Balance Gehäuse behandelt werden, bis es in Aussetzung Form ist, wie diese Pulver Einatmen Gefahren sind.
- Mit einer geschlossenen Balance, wiegen Sie 5 – 10 mg Metall/Carbon schwarz Katalysator und fügen Sie zu einem Glasfläschchen mit einer Kappe.
- Mit einer Mikropipette, verdünnen des Katalysators mit Wasser, so dass die Endkonzentration 7,5 mg des Katalysators pro mL Wasser.
- Während beschallen, wird die Suspension 100 µL Nafion 117 Lösung pro mL Wasser hinzugefügt.
- Die Tinte sollte für mindestens 10 min gewährleisten gleichmäßige Streuung und Abschließen der Ruß-Unterstützung mit dem Bindemittel mischen beschallt werden.
- Während die Tinte beschallen wird, sollte ein 3 mm glasig Disk Kohlenstoffelektrode gereinigt und poliert durch Reiben in einer wirbelnden Kreisbewegung auf eine weiche Aluminiumoxid-Pad mit 0,05 µm Aluminiumoxid Lösung bedeckt. Es sollte dann ausgiebig mit Wasser zu entfernen, die Tonerde gespült werden.
- Als nächstes 7 µL Tinte ist tropfte auf eine polierte, vertikal ausgerichtete 3 mm glasig Disk Kohlenstoffelektrode. Die Arbeitselektrode wird dann bei 80 ° c für 1 h getrocknet, wenn der Katalysator ist Luft-Stall oder verdampfte unter einem schwachen Vakuum für 30 min, wenn der Katalysator luftempfindlichen ist.
(2) elektrochemische Zelle Vorbereitung
Sicherheitshinweise: Handschuhe, Laborkittel und Schutzbrille muss immer getragen werden, sondern ist vor allem von größter Bedeutung für die Arbeit mit der Schwefelsäure-Lösung. Jeder Tropfen der Lösung auf die Handgelenke vergießen sollte, muss es mit Seife und Wasser für 15 min gewaschen werden. Für größere Leckagen sollten Entfernung von kontaminierten Kleidungsstücke und Verwendung von Augenwischerei oder Duschen für 15 min, gefolgt von einer ärztlichen Beratung verwendet werden. Die elektrischen Leitungen darf nicht berührt werden, einmal auf die elektrochemische Zelle platziert.
- Eine Glas-Zelle ist gefüllt mit 10 mL 0,5 M H2SO4 und entgast für mindestens 30 min mit einem extrem hohen Reinheit Stickstoff Strom
- Die Teflon-Kappen der elektrochemischen Zellen haben 3 Anschlüsse für die Arbeitselektrode, Gegenelektrode und Bezugselektrode
- Ag/AgCl-Referenzelektrode ist aus seiner 1 M KCl-Lösung entfernt, mit VE-Wasser gründlich gespült und dann in der Zelle platziert.
- Die platiniert Platindraht Gegenelektrode ist mit VE-Wasser gründlich gespült und dann in der Zelle platziert.
- Die getrockneten Arbeitselektrode ist mit VE-Wasser gespült und dann in der Zelle platziert.
- Die Potentiostaten eingeschaltet ist.
- Die weißen Elektrode Blei ist zuerst und an die Bezugselektrode angeschlossen.
- Die rote Elektrode Blei wird dann mit der Pt-Draht-Gegenelektrode verbunden.
- Die grüne Elektrode Blei wird dann mit der Metall/Carbon schwarz Arbeitselektrode verbunden.
- Eine kleine N2 Spülstrom bleibt ständig sprudelnden im Elektrolyten.
- Stellen Sie sicher keine Leitungen berühren und es gibt keine direkter elektrischer Kontakt zwischen den 3 Elektroden anders als mit dem 0,5 M H2SO4 Elektrolyt.
3. elektrochemische Analyse
- Nach dem Einschalten der Potentiostaten führen mindestens 20 Konditionierung Zyklen zwischen 0 und 0,4 V vs. RHE bei 50 mV/s mit CV. Dies erfolgt durch Wahl CV als Technik und Eingabe der oberen und unteren Potenzials sowie die Scan-Geschwindigkeit begrenzt.
- Linear Sweep Voltammetrie (LSV) kann dann durchgeführt werden, durch die Wahl der LSV als Technik und ein Start Potenzial, eine endgültige Potenzial und eine Scan-Rate angeben. Die Abtastrate für LSV ist in der Regel viel weniger als Lebenslauf, in der Regel 1 – 2 mV/s so dass kapazitive Ströme viel niedriger als Ströme aus faradaic Oberflächenreaktionen werden
- Chronoamperometry (CA) erfolgt durch die Wahl von CA oder "Amperometrischen-i-t-Kurve" als eine Technik und angeben das fixe Potenzial sowie die Länge der Zeit sollte das Instrument die Arbeitselektrode als dieses Festes Potenzial halten.
- Chronopotentiometry (CP) erfolgt durch die Wahl der CP als eine Technik. CP kann in einer Reihe von aktuellen Schritte durchgeführt werden, wo ein Strom für eine gewisse Zeit folgte eine neue Strömung für eine bestimmte Dauer angegeben ist. Diese angewandte Ströme können anodische und kathodische Ströme innerhalb der gleichen CP-Messung erstrecken.
- Wenn die elektrochemische Analyse beendet ist, schalten Sie die Potentiostaten.
- Trennen Sie das Elektrodenkabel und speichern sie in einem trockenen Platz keine Flüssigkeiten um Korrosion zu verhindern.
- Entfernen Sie die Bezugselektrode und mit reichlich DI Wasser spülen. Dann die Bezugselektrode direkt zurück zum seine 1 M KCl-Storage-Lösung. Die Spitze dieser Elektrode darf nicht trocken werden.
- Entfernen Sie die Pt-Draht-Gegenelektrode zu und spülen Sie gründlich mit VE-Wasser
- Entfernen Sie die Arbeitselektrode und spülen Sie gründlich mit VE-Wasser und verwenden Sie dann ein Wischtuch mit Aceton, um leicht die getrockneten Katalysator Tinte aus der Elektrodenoberfläche zu entfernen. Es wird empfohlen, die Elektroden nach Gebrauch sofort zu polieren.
- Schalten Sie die N-2 -Säuberung.
- Entleeren Sie das verwendete Elektrolyt in einem sauren Abfallbehälter. Spülen Sie die Glas Zelle und Teflon-Cap mit reichlich DI Wasser.
Ein Potentiostaten-Galvanostat ist die am häufigsten verwendete Instrument in elektrochemische Charakterisierung und wird verwendet, um die Wirkung von elektrischen Veränderungen auf einer chemischen Reaktion zu verstehen.
Ein Potentiostaten-Galvanostat ist ein Instrument in elektrochemischen Systemen verwendet. Er misst Strom bei einer angewandten Potenzial Potentiostaten Modus, oder umgekehrt im Galvanostat Modus. Der Einfachheit halber wird das Instrument eines Potentiostaten genannt.
Oxidations-Reduktions oder Redox, Reaktionen treten bei einer Elektrodenoberfläche und beinhalten den Transfer von Elektronen. Insbesondere ist der Verlust von Elektronen in einem chemischen Spezies der Fall der Oxidation oder der Gewinn der Elektronen bei Herabsetzung. Dieses Redox-Ereignis kann durch eine angewandte Potenzial, E, auch genannt Spannung induziert werden.
Dieses Video veranschaulicht das Set up und der elektrochemischen Leistungstests mit einem Potentiostaten.
In den meisten Fällen sind Redox Ereignisse zu einem Potentiostaten über eine drei-Elektroden-Zelle verbunden. Die drei-Elektroden-Zelle besteht aus einer Arbeitselektrode, Zähler oder Hilfselektrode und Referenzelektrode. Die Arbeitselektrode ist die Reaktion von Interesse erfolgt, wobei die Gegenelektrode wird verwendet, um den elektrischen Stromkreis zu schließen.
Eine angewandte Potenzial gegen die Bezugselektrode, enthält ein Redoxsystem mit einer potenziellen bekannt, stabile Elektrode gemessen wird, E. Common Bezugselektroden sind die gesättigten Kalomel-Elektrode und der reversiblen Wasserstoff-Elektrode, die für Kalibrierungszwecke verwendet werden. Ag/AgCl-Elektrode wird häufig in elektrochemischen Tests verwendet und ist eine Schnittstelle mit der Elektrolyt-Lösung über eine poröse Fritten.
Die elektrochemische Zelle ist mit einer hohen Ionenstärke-Elektrolyt-Lösung, wie eine Lösung sauer, alkalisch oder Salz gefüllt. Die Elektrolytlösung verhindert kostenlos Ablagerungen an den Elektroden.
In einem elektrochemischen Experiment, Potenzial Strom, Zeit und Kosten können alle manipuliert oder gemessen an dem Potentiostaten. Wenn die Arbeitselektrode als Kathode fungiert, fließen Elektronen von der Gegenelektrode die Arbeitselektrode. Fließen Sie positiv geladene Ionen oder kationen, zur Kathode. Umgekehrt gilt, wenn die Arbeitselektrode als Anode fungiert. Negativ geladene Ionen oder Anionen, Strom an der Anode.
Durch Auswahl der manipuliert und gemessenen Parameter, sind eine Reihe von Messverfahren möglich. Chronoamperometry ist eine Technik, wo ein möglicher Schritt auf die Arbeitselektrode angewendet wird, und die daraus resultierende Stromänderung wird als Funktion der Zeit gemessen. Wenn ein möglicher Schritt ist groß genug, um eine elektrochemische Reaktion an der Arbeitselektrode, die aktuellen Änderungen hervorrufen. Diese Technik kann für viele Anwendungen, wie die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten in Reaktionskinetik verwendet werden.
Ebenso Chronopotentiometry ist eine Technik, wo eine Konstante oder abwechslungsreiche Strom anliegt, und das Potenzial wird als Funktion der Zeit gemessen. Die angelegten Strom verursacht elektroaktive Spezies oxidiert oder mit einer bestimmten Rate reduziert werden. Diese Technik ist für vielfältige Einsatzbereiche, wie z.B. die Ermittlung des Fortschritts der Reaktion verwendet.
Voltammetrie misst anodische und kathodische Strom in Bezug auf eine angewandte potenzielle Sweep. Diese Messung untersucht das Hinzufügen oder Entfernen von Elektronen aus einer chemischen Spezies während der Erhöhung oder Verringerung des Potenzial mit einer konstanten Rate. Zyklischer Voltammetrie oder CV, fällt in Tiefe separat in einem anderen Video in dieser Sammlung.
Nun, da die Grundlagen der Potentiometry besprochen haben, wird die Vorbereitung einer drei-Elektroden-Zelle und eine Arbeitselektrode mit Oberfläche gebundene Katalysator im Labor nachgewiesen werden. In dieser Demo wird Katalysator Tinte vorbereitet und gemessen werden, bestehend aus Platin-Nanopartikel in der Ruß-Support mit Nafion Bindemittel. Dieses System ist Vertreter der aktuellen Brennstoffzellen- und Batterieforschung.
Um zu beginnen, wiegen Sie 7,5 mg Metall/Carbon schwarz Katalysator in einer Dampfhaube, und fügen Sie es zu einem Glasfläschchen. Den Katalysator mit 1 mL Wasser verdünnen und 100 μL der Nafion 117 hinzufügen, dann Kappe das Fläschchen.
Beschallen Sie die Mischung für mindestens 10 min gewährleisten gleichmäßige Streuung und Mischen von Ruß-Unterstützung mit der Nafion auf Eis. Während die Tinte beschallen wird, bereiten Sie die Arbeitselektrode, die eine glassy Carbon 3-mm-Scheibe ist.
Reinigen Sie und Polieren Sie die Elektrode durch leichtes Reiben es in einem wirbelnden, kreisförmigen Bewegung auf eine weiche Unterlage mit 0,05 μm kolloidale Tonerde-Lösung abgedeckt. Nach dem Polieren, spülen Sie die Elektrode ausgiebig mit entionisiertem Wasser um die Tonerde zu entfernen.
Als nächstes ist 7 mL Tinte auf die polierten, vertikal ausgerichteten glasig Kohlenstoffelektrode getropft. Trocknen Sie die Arbeitselektrode unter Vakuum bei Raumtemperatur. Dann trocknet es bei 80 ° C für eine Stunde, wenn die Katalysator-Nanopartikel Luft stabil sind.
Zuerst füllen Sie das Glas elektrochemische Zelle mit 10 mL des Elektrolyten. Cap die elektrochemische Zelle mit einer Teflon-Kappe mit Öffnungen für die drei Elektroden. De-Gas das Elektrolyt für mindestens 30 min mit extrem hoher Reinheit Stickstoffgas um Redox-aktiven Sauerstoff zu entfernen. Lassen Sie den Stickstoff in das Experiment ganz leicht Blasen wirft.
Entfernen Sie Ag/AgCl-Referenzelektrode aus seiner 3 M NaCl-Storage-Lösung. Spülen Sie die Elektrode gründlich mit entionisiertem Wasser, und legen Sie sie in die elektrochemische Zelle.
Als nächstes spülen Sie Platindraht Gegenelektrode und die getrockneten Arbeitselektrode mit entionisiertem Wasser, und fügen Sie sie in die Zelle. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden nicht berühren. Schalten Sie die Potentiostaten, und schließen Sie die Leitungen an die Referenz und Zähler Elektroden.
Führen Sie mindestens 20 Zyklen mit zyklischer Voltammetrie Scans zwischen der oberen und unteren Konditionierung mögliche Grenzen bei 50 mV pro Sekunde. Diese Schritt wird sichergestellt, dass die Elektrode Oberflächen vollständig hydratisiert sind.
Linear Sweep Voltammetrie oder LSV, kann durchgeführt werden, indem die Anfangs- und Endwert Potenziale und die Abtastrate. Die Abtastrate für LSV ist in der Regel geringer als bei CV. Das Ergebnis ist ein Grundstück von Potenzial vs. Strom mit Oxidation oder Reduktion Ereignisse als Gipfel im Scan visualisiert. In diesem Fall wurde das Perchlorat im Elektrolyten auf der Katalysatoroberfläche in den kathodischen Scan reduziert.
Um Chronoamperometry durchzuführen, wählen Sie es als die Technik, und geben Sie dann den festen Potenzial sowie die Zeit. Das Ergebnis ist ein Grundstück von aktuellen vs. Zeit. Die anfänglichen Verfall ist durch kapazitive Entladung während der Steady-State-Teil im Wesentlichen eine gerade Linie ist. Chronoamperometry ist potentiostatischer und somit nach dem ersten asymptotische Zerfall der kapazitiven Effekte der aktuellen zugeschrieben Oberflächenreaktionen isoliert werden.
Zu guter Letzt erfolgt Chronopotentiometry in einer Reihe von aktuellen Schritte, wo ein Strom für eine bestimmte Zeitdauer angegeben ist. Jedes Mal, wenn die aktuellen Schalter von Null an die aktuellen, gibt es eine erste asymptotische Änderung an Potenzial, gefolgt von einem Steady-State. Nach jedem ein-/Zyklus erfordert das stabile Katalysatormaterial das gleiche über Potential den angegebenen Strom zu fahren.
Elektrochemische Messungen mit einem Potentiostaten sind weit verbreitet in der Analyse und Fertigung.
Elektrochemie wird verwendet, um die Bindung von Sondenmolekülen an Elektroden zu analysieren. In diesem Beispiel wurden Elektroden gemustert in mikrofluidischen Kanälen und funktionalisiert mit einzelnen stranded DNA. Wenn die DNA mit der kostenlosen Strang hybridisiert war, wurde das Redox-paar an der Elektrodenoberfläche blockiert.
DNA-Hybridisierung wurde dann durch den Anschluss der Elektroden an den Potentiostaten mit drei Sonde Elektroden gemessen.
Impedanz-Messungen, ein Maß für den Widerstand gegen Stromfluss, zeigte, dass zunehmende kostenlosen DNA-Konzentration zu erhöhte Impedanz führte und damit Hybridisierung erhöht.
Nächste, elektrochemische Prozesse wurden verwendet, um zu überwachen und zu charakterisieren, das Wachstum von Biofilmen auf einer Elektrode. Hierzu wurde eine drei-Elektroden-Zelle mit dem Elektrolyt wird die Zelle Brühe zusammengestellt.
Das Wachstum des Biofilms wurde überwacht, mit Chronoamperometry, um eine exakte Messung und reproduzierbare Kulturbedingungen zu erreichen.
Elektrochemische Techniken können auch bei der Herstellung von dünnen Schichten und Schichten auf eine Elektrodenoberfläche verwendet werden. Elektrische Signale auslösen lokalisierte Umgebungen an der Elektrodenoberfläche, die auslösen können die Selbstorganisation von Materialien.
In diesem Beispiel erfolgte die Ablagerung von Biomaterialien mittels Galvanisierung. Chitosan, ein Biopolysaccharide erfährt einen Sol-Gel-Übergang an der Elektrodenoberfläche, Erstellung eines Filmes.
Sie habe nur Jupiters Einführung in Potentiometry beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, gewusst wie: Einrichten einer typischen drei-Elektroden-Zelle, und grundlegende elektrochemische Tests durchführen.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
Dieses Verfahren führt zu zahlen, die Grundstücke der gemessene Strom vs. Potenzial für jede der vier Techniken enthalten. Konvention zum CV und LSV, die Grundstücke werden auch werden ausgegeben als gemessene Strom vs. Potenzial trotz der Realität, dass diese vorübergehende Techniken sind, die aktuellen Messen vs. die zeitliche Ableitung des Potentials.
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Applications and Summary
CV, LSV, CP und CA sind unverzichtbare Techniken zur Bestimmung der Wirksamkeit von neue Elektrodenmaterialien für Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren sowie für die Entwicklung von Gebieten wie der selektive partielle Oxidation oder Reduktion von Grundchemikalien. Diese Methoden können zur Bestimmung der Overpotentials von Reaktionen auf verschiedene Elektrodenmaterialien im Vergleich zu ihrer thermodynamischen Gleichgewicht Potenziale. Diese Methoden ermöglichen auch die volumetrische oder gravimetrische Kapazität der Superkondensatoren bestimmt werden. In ähnlicher Weise können Raten von Laden/Entladen der Batterieelektroden oder Superkondensatoren mit diesen Techniken ermittelt werden. Diese Techniken ermöglichen auch die Charakterisierung der elektrochemischen Stabilität der Materialien bestimmt werden. Über diese grundlegenden Techniken umfassen fortgeschrittene Techniken die Kombination potentiometrische Techniken mit in-Situ-Methoden wie IR und Massenspektrometrie.
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