Overview
Fuente: Laboratorio del Dr. Yuriy Román — Massachusetts Institute of Technology
Un Potenciostato/Galvanostato (referido a menudo como simplemente un potenciostato) es un instrumento que mide la corriente a un potencial aplicado (operación potentiostatic) o medidas de potencial en una corriente aplicada (operación de caracterización) (figura 1). Es el instrumento más comúnmente utilizado en la caracterización electroquímica de materiales del ánodo y del cátodo para las pilas de combustible, electrolizadores, baterías y supercondensadores.
Convencionalmente, estos materiales del ánodo y el cátodo se interconectó con un potenciostato mediante una celda electroquímica de tres electrodos. Los cables de los electrodos de la potenciostato están conectados al electrodo de referencia, el contraelectrodo (a menudo llamado el electrodo auxiliar) y el electrodo de trabajo (que contiene el material de la prueba de interés). La celda electroquímica se llena entonces con una solución de electrolitos de alta fuerza iónica, como una solución ácida, alcalina o sal. Los medios de comunicación para esta solución de alta fuerza iónica son típicamente acuosa; sin embargo, para aplicaciones que requiere mayor operativo windows potencial de la célula, tales como baterías y supercondensadores, medios no acuosos es de uso frecuente. Los medios de comunicación de la célula se desgasifica con un gas inerte (para evitar reacciones secundarias no deseadas) o con un gas de prueba (si la reacción de la prueba consiste en un gas en uno de los electrodos).
Por otra parte, un puente de sal o membrana se emplea para mantener un contacto iónico si las dos mitad células deben medirse en electrolitos diferentes. En Electrocatálisis heterogéneos, este tipo de célula "dos compartimiento" se utiliza a menudo si la molécula de prueba en el electrodo de trabajo es también reactiva en el counterelectrode. Esto sucede con frecuencia como la counterelectrode típicamente empleado es platinum, que es un catalizador muy activo para muchas reacciones. Aquí, se utilizarán las células solo compartimiento, donde todos los tres electrodos están en el mismo medio.
Este video le explicará el proceso de pulido de un electrodo de trabajo, preparar una tinta de catalizador, la tinta de catalizador sobre el electrodo de trabajo de montaje, preparación de la celda electroquímica y luego realizar mediciones electroquímicas. Las mediciones que se realizan incluyen: voltametría cíclica (CV), voltametría de barrido lineal (LSV), redisolución (CP) y chronoamperometry (CA).
Figura 1. Un ejemplo de una celda electroquímica de compartimiento único. casquillo Teflon a.), b). vidrio celular, c.) Pacífico cable contraelectrodo, d.) electrodo de trabajo, e.) Electrodo de referencia de Ag/AgCl, f.) 0,5 solución de electrolito acuoso ácido sulfúrico M.
Principles
El potenciostato permite aplicar un constante anódico o catódico potencial para el electrodo de trabajo y medir la corriente anódica o catódica resultante (chronoamperometry) o el potenciostato puede ser galvanostatically funcionado vía un circuito de control de retroalimentación y aplicar una constante corriente anódica o catódica con medida potencial variando con el tiempo a mantener esto aplica corriente (redisolución). Como alternativa, espacio potencial puede ser explorada con tiempo usando voltametría cíclica o voltamperometría de barrido lineal para medir los potenciales anódicos y catódicos frente a un tipo de exploración potencial aplicado (la derivada del potencial con respecto al tiempo).
En todas estas técnicas, incluso durante el funcionamiento de la caracterización, el potenciostato controla el potencial aplicado y mide el flujo de electrones desde (el electrodo de trabajo a (desde) el electrodo contador a) cuando el electrodo de trabajo actúa como el ánodo (cátodo). El potencial aplicado es referencia contra el electrodo de referencia, que contiene un sistema redox (por ejemplo, un electrodo de cloruro de plata o un electrodo de calomelanos saturado) con un potencial conocido y estable que está interconectado con la solución electrolítica mediante una frita porosa. Durante el funcionamiento normal, el potenciostato dibuja una corriente insignificante pero distinto de cero por el electrodo de referencia para que un potencial preciso puede ser aplicado al electrodo de trabajo. Mientras que el potenciostato mide el flujo de electrones o de media reacción para el siguiente, la solución electrolítica completa el circuito previniendo la acumulación de carga en el ánodo o el cátodo.
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Procedure
1. catalizador tinta y preparación del electrodo de trabajo
Precauciones de seguridad: Metales en negro de carbón se deben manejar una caja de campana o equilibrio de humo hasta que quede en forma de suspensión ya que estos polvos son riesgos de inhalación.
- Con un balance cerrado, pesar 5-10 mg de catalizador de metal/carbono negro y añadir a un frasco de vidrio con una tapa.
- Usando una micropipeta, diluir el catalizador con agua, tal que la concentración final es de 7,5 mg de catalizador por cada mL de agua.
- Mientras sonicando, 100 μl de solución de Nafion 117 por mL de agua se añade a la suspensión.
- La tinta debe ser sonicada durante al menos 10 minutos asegurar la dispersión uniforme y completa mezcla de la ayuda del negro de carbón con el agente de enlace.
- Mientras que la tinta es sonicando, un electrodo de disco de 3 mm carbón vidrioso limpias y pulido por frotamiento en un movimiento circular que remolina en un cojín suave alúmina cubierto con la solución de alúmina de 0.05 μm. Se debe luego Enjuagar copiosamente con agua para eliminar la alúmina.
- A continuación, 7 μl de tinta se gotee sobre un electrodo de disco de pulido, de orientación vertical 3 mm carbón vidrioso. El electrodo de trabajo entonces se seca a 80 ° c durante 1 hora si el catalizador es aire-estable o evaporada bajo un vacío débil durante 30 minutos si el catalizador es sensible al aire.
2. celda electroquímica preparación
Precauciones de seguridad: Guantes, labcoat y gafas de seguridad siempre deben ser usados pero es sobre todo primordiales para trabajar con la solución de ácido sulfúrico. Deben derramar cualquier gotas de solución en las muñecas, se debe lavar con jabón y agua durante 15 minutos. Para derrames grandes, eliminación de la ropa contaminada y el uso de los Lavaojos o duchas puede usarse durante 15 min, seguido de una consulta médica. Los conductores eléctricos no deben ser tocados una vez colocado en la celda electroquímica.
- Una celda de vidrio se llena con 10 mL de 0,5 M de H2SO4 y desgasificada para por lo menos 30 min con un flujo de nitrógeno de ultra alta pureza
- Los casquillos de Teflon de las células electroquímicas tienen 3 puertos para el electrodo de referencia, el electrodo de trabajo y contraelectrodo
- El electrodo de referencia Ag/AgCl es quitado de su solución de KCl de 1 M, enjuagarse con agua desionizada y luego colocado en la celda.
- El electrodo de alambre de platino platinados contador es enjuagarse con agua desionizada y luego colocado dentro de la célula.
- El electrodo de trabajo secado enjuagar con agua desionizada y colocan dentro de la célula.
- El potenciostato está activada.
- El cable blanco del electrodo es conectado primero y conectado al electrodo de referencia.
- El cable rojo del electrodo se conecta al electrodo de contador del alambre de Pt.
- El plomo del electrodo verde se conecta al electrodo de trabajo de metal/negro de carbón.
- Una pequeña secuencia de purga de2 N se deja continuamente burbujeo en el electrolito.
- Asegurar cables no se toquen y que no es ningún contacto eléctrico directo entre los 3 electrodos que con la de 0,5 M de H24 electrolito.
3. Análisis electroquímica
- Después de activar el potenciostato, realizar al menos 20 acondicionado ciclos entre 0 y 0.4 V vs RHE a 50 mV/s con CV. Esto se realiza eligiendo CV como técnica y entrar en el potencial superior e inferior límites así como la frecuencia de barrido.
- Voltametría de barrido lineal (LSV) entonces puede realizarse eligiendo LSV como técnica y especificando un potencial inicial, un potencial final y una tarifa de exploración. La frecuencia de barrido para LSV es típicamente mucho menos que CV, generalmente 1-2 mV/s para que sean mucho más bajas que las corrientes derivadas de las reacciones superficiales faradaic corrientes capacitivas
- Chronoamperometry (CA) se realiza eligiendo CA o "amperométrico i t curva como una técnica y especificando el potencial fijo así como la longitud del tiempo el instrumento debe sostener el electrodo de trabajo como este potencial fijo.
- Redisolución (CP) se realiza eligiendo CP como una técnica. CP puede realizarse en una serie de pasos actuales donde se especifica una corriente por un cierto periodo de tiempo seguido de una nueva corriente para un período de tiempo especificado. Estas corrientes aplicadas pueden abarcar anódicos y catódicas corrientes dentro de la misma medida de CP.
- Cuando se termina el análisis electroquímico, apague el potenciostato.
- Desconecte los cables de los electrodos y guardarlos en un lugar seco lejos de líquidos para evitar la corrosión.
- Quitar el electrodo de referencia y enjuague con abundante cantidad de agua desionizada. Vuelva el electrodo de referencia directamente a su solución de almacenamiento de información de KCl de 1 M. La punta de este electrodo no se debe nunca llegar a ser seco.
- Quite el electrodo de Pt alambre contador y enjuague con agua desionizada
- Quite el electrodo de trabajo y enjuague bien con agua DI y entonces utilice un Kimwipe con acetona para quitar fácilmente la tinta catalizador secado de la superficie del electrodo de trabajo. Se recomienda pulir electrodos inmediatamente después del uso.
- Apague la purga de2 N.
- Vaciar el electrolito usado en un recipiente de desechos ácido. Enjuagar la celda de vidrio y tapón de teflón con cantidades copiosas de agua DI.
Un Potenciostato-Galvanostato es el más comúnmente utilizado el instrumento de caracterización electroquímica y se utiliza para entender el efecto de cambios eléctricos en una reacción química.
Un Potenciostato-Galvanostato es un instrumento usado en sistemas electroquímicos. Mide la corriente a un potencial aplicado en el modo de potenciostato, o viceversa en el modo GALVANOSTATO. Por simplicidad, el instrumento se llama comúnmente un potenciostato.
Reacciones de oxidación-reducción o redox, se producen en una superficie de electrodo e implican a la transferencia de electrones. En particular, la pérdida de electrones de una especie química es el caso de la oxidación, o la ganancia de electrones en el caso de reducción. Este evento redox puede ser inducida por un potencial aplicado, E, también llamado voltaje.
Este video demostrará el set up y pruebas de rendimiento de electroquímica utilizando un potenciostato.
En la mayoría de los casos, eventos redox están acoplados a un potenciostato a través de una celda de tres electrodos. La celda de tres electrodos consiste en un electrodo de trabajo, contador o electrodo auxiliar y electrodo de referencia. El electrodo de trabajo es donde se produce la reacción de interés, y el contraelectrodo se utiliza para completar el circuito eléctrico.
Un potencial aplicado se mide contra el electrodo de referencia, que contiene un sistema redox con un potencial de electrodo conocido y estable, los electrodos de referencia E. común son el electrodo de calomel saturado y el electrodo de hidrógeno reversible, que se utilizan para propósitos de calibración. El electrodo de Ag/AgCl se utiliza comúnmente en pruebas electroquímicas y está interconectado con la solución electrolítica mediante una frita porosa.
La celda electroquímica se llena con una solución de electrolitos de alta fuerza iónica, como una solución ácida, alcalina o sal. La solución electrolítica previene la acumulación de carga en los electrodos.
En un experimento electroquímico, potencial, corriente, tiempo y carga pueden todos ser manipulado o medido por el potenciostato. Cuando el electrodo de trabajo actúa como el cátodo, fluyen de electrones desde el electrodo del contador para el electrodo de trabajo. Cargado positivamente iones o cationes, fluyen al cátodo. Lo contrario es verdad cuando el electrodo de trabajo actúa como el ánodo. Cargado negativamente iones o aniones, fluyen al ánodo.
Mediante la selección de los parámetros medidos y manipulados, una serie de técnicas de medición es posible. Chronoamperometry es una técnica donde se aplica un paso potencial para el electrodo de trabajo, y el cambio resultante de la corriente se mide en función del tiempo. Cuando un paso potencial es suficientemente grande como para provocar una reacción electroquímica en el electrodo de trabajo, los cambios actuales. Esta técnica puede utilizarse para muchas aplicaciones, tales como la determinación de coeficientes de difusión en la cinética de la reacción.
Del mismo modo, redisolución es una técnica donde una constante o variada corriente se aplica, y el potencial se mide en función del tiempo. La corriente aplicada hace que las especies electroactivas oxidado o reducido a un cierto ritmo. Esta técnica se utiliza para una variedad de aplicaciones, tales como la determinación del progreso de la reacción.
Voltamperometría mide corriente anódica y catódica con respecto a un barrido de potencial aplicado. Esta medición examina la adición o eliminación de electrones de una especie química durante el aumento o disminución de potencial a un ritmo constante. Voltametría cíclica, o CV, está cubierto en profundidad por separado en otro video de esta colección.
Ahora que se han cubierto los fundamentos de la potenciometría, la preparación de una celda de tres electrodos y un electrodo de trabajo con un catalizador superficie limite se demostrará en el laboratorio. En esta demostración, tinta de catalizador preparada y medida, que se compone de nanopartículas de platino en un soporte de negro de carbón con un aglutinante de Nafion. Este sistema es representante de celda de combustible actual y la investigación de la batería.
Para empezar, pesa 7,5 mg de catalizador de metal/negro de carbón en una campana de humos y añadir a un frasco de vidrio. Diluir el catalizador con 1 mL de agua y añadir 100 μL de Nafion 117 y tapa el frasco.
Someter a ultrasonidos la mezcla en hielo durante al menos 10 minutos asegurar la dispersión uniforme y completa mezcla de la ayuda del negro de carbón con el Nafion. Mientras que la tinta es sonicando, preparar el electrodo de trabajo, que es un disco de 3 mm carbón vidrioso.
Limpie y pula el electrodo frotando suavemente con un movimiento circular y remolino en una almohadilla suave cubierto con la solución de alúmina coloidal de 0.05 μm. Después de pulir, enjuague el electrodo copiosamente con agua desionizada para extraer la alúmina.
A continuación, 7 mL de tinta se gotee sobre el electrodo de carbón vidrioso pulido, orientadas verticalmente. Secar el electrodo de trabajo en vacío a temperatura ambiente. Luego secar a 80 ° C durante una hora si las nanopartículas del catalizador son aire estable.
Primero, llene la celda electroquímica de vidrio con 10 mL de electrólito. Tapa de la celda electroquímica con un casquillo de teflón con aberturas para los tres electrodos. De gas el electrolito por al menos 30 min con gas de nitrógeno de ultra alta pureza para remover oxígeno redox-activo. Permita que el nitrógeno a burbujear ligeramente durante todo el experimento.
Retire el electrodo de referencia Ag/AgCl de la solución de almacenamiento de 3 M NaCl. Enjuague el electrodo con agua desionizada y lo coloca en la celda electroquímica.
A continuación, aclarar el contraelectrodo de alambre de platino y el electrodo de trabajo secas con agua desionizada e insertar en la celda. Asegúrese de que no toquen los electrodos. Encienda el potenciostato y conecte los cables a los electrodos de referencia y contador.
Realizar por lo menos 20 ciclos de acondicionamiento ejecutando exploraciones de voltametría cíclica entre la superior e inferior límites potenciales en 50 mV por segundo. Este paso asegura que la superficie de los electrodos está completamente hidratada.
Voltametría de barrido lineal o leve, se puede realizar especificando los potenciales iniciales y finales y la frecuencia de barrido. La frecuencia de barrido para LSV es típicamente menor que para el CV. El resultado es un diagrama de potencial vs corriente de oxidación o reducción de eventos visualizados como picos en la exploración. En este caso, se redujo el perclorato en el electrolito sobre la superficie del catalizador en la exploración catódica.
Para realizar chronoamperometry, como la técnica y, a continuación, especifique el potencial fijo así como el tiempo. El resultado es un complot de la corriente vs tiempo. El decaimiento inicial es debido a la descarga capacitiva, mientras que la porción de estado estacionario es esencialmente una línea recta. Chronoamperometry es potentiostatic y por lo tanto después del decaimiento asintótico inicial de los efectos capacitativa, la corriente atribuida a reacciones de superficie puede ser aislada.
Finalmente, la redisolución se realiza en una serie de pasos actuales, donde se especifica una corriente por un cierto periodo de tiempo. Cada vez que los interruptores de corriente desde cero hasta el trabajo actual, hay un cambio inicial asintótico en potencial, seguido por un estado estacionario. Después de cada ciclo de encendido, el material catalizador estable requiere el mismo potencial de exceso para conducir la corriente especificada.
Medidas electroquímicas con un potenciostato son ampliamente utilizadas en el análisis y la fabricación.
Electroquímica se utiliza para analizar la Unión de las moléculas sonda de electrodos. En este ejemplo, electrodos fueron estampados en canales de microfluidos y funcionalizados con la sola DNA trenzada. Cuando el ADN fue cruzado por hibridación con el filamento de la conexión, el par redox se bloqueó en la superficie del electrodo.
Hibridación de la DNA entonces se midió mediante la conexión de los electrodos para el potenciostato utilizando tres electrodos sonda.
Las mediciones de impedancia, una medida de la resistencia al flujo de corriente, demostraron aumento de la concentración de ADN gratuito dio lugar a mayor impedancia y por lo tanto aumenta la hibridación.
Próximos procesos electroquímicos fueron utilizados para monitorear y caracterizar el crecimiento de la biopelícula en un electrodo. Para esto, una celda de tres electrodos fue montada, con el electrolito siendo el caldo de la célula.
El crecimiento de la biopelícula fue monitoreado mediante chronoamperometry, con el fin de lograr una medición exacta y las condiciones de cultivo reproducibles.
Técnicas electroquímicas pueden también utilizarse en la fabricación de películas delgadas y capas en una superficie de electrodo. Señales eléctricas activan ambientes localizados en la superficie del electrodo, que puede inducir la uno mismo-montaje de materiales.
En este ejemplo, la deposición de los biomateriales se realizó mediante electrodeposición. Quitosano, un biopolysaccharide, sufre una transición de sol-gel en la superficie del electrodo, creando una película.
Sólo ha visto introducción de Zeus a potenciometría. Ahora debe entender cómo configurar una típica celda de tres electrodos, y exámenes básicos de electroquímica.
¡Gracias por ver!
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Results
Este procedimiento dará como resultado cifras que contienen diagramas de corriente medida vs potencial para cada una de las cuatro técnicas. Por Convención para CV y LSV, las parcelas se también se genera como corriente medida vs potencial a pesar de la realidad que son técnicas transitorias que miden vs el derivado del tiempo de potencial.
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Applications and Summary
CV, LSV, CP y CA son técnicas indispensables para determinar la eficacia de los nuevos materiales de electrodo para las pilas de combustible, electrolizadores, baterías y supercondensadores, así como para desarrollar campos tales como la oxidación parcial selectiva o la reducción de productos químicos de la materia. Estos métodos permiten determinar overpotentials de reacciones materiales de electrodo diferentes en comparación con su potencial de equilibrio termodinámico. Estos métodos también permiten la capacidad volumétrica o gravimétrica de supercondensadores que se determinarán. Del mismo modo, las tasas de carga y descarga de electrodos de baterías o supercondensadores pueden determinarse con estas técnicas. Estas técnicas también permiten la caracterización de la estabilidad electroquímica de materiales por determinar. Más allá de estas técnicas básicas, técnicas más avanzadas incluyen la combinación de las técnicas potenciométricas con métodos in situ como IR y espectrometría de masas.
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