Потенциостат

Рис. 1: Схема потенциостата.

Потенциостат необходимое — это электронное оборудование, для управления трехэлектродной ячейкой и проведения большинства электроаналитических экспериментов. Бипотенциостат — и полипотенциостат это потенциостаты, способные управлять двумя рабочими электродами и более чем двумя рабочими электродами соответственно.

Система функционирует, поддерживая потенциал рабочего электрода на постоянном уровне по отношению к электроду сравнения путем регулирования тока на вспомогательном электроде . Сердцем различных потенциостатических электронных схем является операционный усилитель (ОУ). Он состоит из электрической цепи , которую обычно описывают в терминах простых операционных усилителей .

Основное использование

Это оборудование имеет основополагающее значение для современных электрохимических исследований с использованием трехэлектродных систем для изучения механизмов реакций, связанных с окислительно-восстановительной химией и другими химическими явлениями. Размеры полученных данных зависят от эксперимента. В вольтамперометрии амперах электрический ток в электрического отображается в зависимости от потенциала в напряжении . При объемном электролизе общее количество пройденных кулонов (общий электрический заряд ) отображается в зависимости от времени в секундах, хотя в эксперименте измеряется электрический ток ( амперы ) с течением времени. Это сделано для того, чтобы показать, что эксперимент приближается к ожидаемому числу кулонов.

Большинство ранних потенциостатов могли функционировать независимо, обеспечивая вывод данных через физическую трассировку данных. Современные потенциостаты предназначены для взаимодействия с персональным компьютером и работают через специальный пакет программного обеспечения . Автоматизированное программное обеспечение позволяет пользователю быстро переключаться между экспериментами и условиями эксперимента. Компьютер позволяет хранить и анализировать данные более эффективно, быстро и точно, чем более ранние автономные устройства.

Основные отношения

Потенциостат – это контрольно - измерительный прибор. Он включает в себя электрическую цепь , которая контролирует потенциал элемента, распознавая изменения его сопротивления и соответственно изменяя ток, подаваемый в систему: более высокое сопротивление приведет к уменьшению тока, а более низкое сопротивление приведет к увеличению тока. Чтобы поддерживать напряжение постоянным, как описано законом Ома .

${R}={E \over I}$

В результате переменное сопротивление системы и управляемый ток обратно пропорциональны.

$I_{o}={E_{c} \over R_{v}}$

• $I_{o}$ выходной электрический ток потенциостата
• $E_{c}$ это напряжение , которое поддерживается постоянным
• $R_{v}$ это электрическое сопротивление , которое меняется.

Принципы работы

С 1942 года, когда английский электрохимик Арчи Хиклинг ( Лестерский университет ) построил первый трёхэлектродный потенциостат, был достигнут существенный прогресс в совершенствовании этого инструмента. В устройстве Хиклинга использовался третий электрод, электрод сравнения, для автоматического контроля потенциала клетки. До сих пор его принцип используется. С первого взгляда потенциостат измеряет разность потенциалов между рабочим и электродом сравнения, пропускает ток через противоэлектрод и измеряет ток как $i$ $R$ падение напряжения на последовательном резисторе ( $R_{\textrm {m}}$ на рис. 1).

Управляющий усилитель (УУ) отвечает за поддержание напряжения между опорным и рабочим электродом, максимально близкого к напряжению входного источника. $E_{\textrm {i}}$. Он регулирует свой выходной сигнал для автоматического управления током ячейки так, чтобы выполнялось условие равновесия. Теорию работы лучше всего понять, используя приведенные ниже уравнения.

Прежде чем приступить к рассмотрению следующих уравнений, можно отметить, что с электрической точки зрения электрохимическая ячейка и резистор для измерения тока $R_{\textrm {m}}$ можно рассматривать как два импеданса (рис. 2). $Z_{1}$ включает в себя $R_{\textrm {m}}$ последовательно с межфазным сопротивлением противоэлектрода и сопротивлением раствора между счетчиком и эталоном. $Z_{2}$представляет собой межфазное сопротивление рабочего электрода последовательно с сопротивлением раствора между рабочим и эталонным электродом.электроды.

Рис. 2: Схема потенциостата с электрохимической ячейкой, замененной двумя импедансами.

Роль управляющего усилителя заключается в усилении разности потенциалов между положительным (или неинвертирующим) входом и отрицательным (или инвертирующим) входом. Математически это можно перевести в следующее уравнение:

$E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})$. (1)

где $A$ – коэффициент усиления CA. В этот момент можно предположить, что через электрод сравнения течет пренебрежимо малая величина тока. Это соответствует физическому явлению, поскольку электрод сравнения подключен к электрометру с высоким импедансом. Таким образом, ток ячейки можно описать двумя способами:

$I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {out}}}{Z_{1}+Z_{2}}}$(2)

и

$I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {r}}}{Z_{2}}}$. (3)

Объединение уравнений. (2) и (3) дает уравнение. (4):

$E_{\textrm {r}}={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}\,E_{\textrm {out}}=\beta \,E_{\textrm {out}}$ (4)

где $\beta$ – доля выходного напряжения управляющего усилителя, возвращаемая на его отрицательный вход; а именно фактор обратной связи:

$\beta ={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}$.

Объединение уравнений. (1) и (4) дает уравнение. (6):

${\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}$. (6)

Когда количество $\beta$ $A$ становится очень большим по отношению к единице, уравнение. (6) сводится к уравнению (7), которое является одним из уравнений отрицательной обратной связи:

$E_{\textrm {i}}=E_{\textrm {r}}$. (7)

уравнение (7) доказывает, что управляющий усилитель поддерживает напряжение между опорным и рабочим напряжением, близким к входному напряжению источника.

Программное управление

Заменив СА, алгоритм управления может поддерживать постоянное напряжение. $E_{\textrm {c}}$ между электродом сравнения и рабочим электродом. Этот алгоритм основан на правиле пропорции :

${\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}$. (8)

• $U_{\textrm {m}}$ — последнее измеренное напряжение ячейки между рабочим электродом (WE) и противоэлектродом (CE).
• $E_{\textrm {c}}$ – последний измеренный электрохимический потенциал, т.е. напряжение между электродом сравнения и МЭ, которое должно поддерживаться постоянным.
• $U_{\textrm {n}}$ – это следующее устанавливаемое напряжение ячейки, т.е. выход контроллера.
• $E_{\textrm {SP}}$ это заданное значение , т.е. желаемое $E_{\textrm {c}}$.

Если интервалы измерения по уравнению (8) остаются постоянными, алгоритм управления устанавливает напряжение ячейки $U_{\textrm {m}}$ чтобы сохранить $E_{\textrm {c}}$ как можно ближе к заданному значению $E_{\textrm {SP}}$. Алгоритм требует аппаратного обеспечения с программным управлением, такого как цифровой мультиметр , источник питания и двухполюсное двухпозиционное реле . Реле необходимо для переключения полярности.

Важные особенности

В электрохимических экспериментах электроды — это части оборудования, которые вступают в непосредственный контакт с аналитом . По этой причине электроды очень важны для определения результата эксперимента. Поверхность электрода может катализировать или не катализировать химические реакции. Размер электродов влияет на величину проходящих токов, что может влиять на отношение сигнал/шум. Но электроды — не единственный ограничивающий фактор для электрохимических экспериментов, потенциостат также имеет ограниченный диапазон действия. Ниже приведены несколько важных особенностей, которые различаются в зависимости от инструмента.

• Диапазон электрического потенциала (измеренный и приложенный) : хотя окно потенциала в основном основано на окне растворителя, электроника также может ограничивать возможный диапазон.
• Точность потенциала (измеренная и примененная) : пределы отклонений между фактическими и заявленными.
• Диапазон скорости сканирования : насколько медленно или быстро может сканироваться потенциальное окно. Это наиболее важно для экспериментов, требующих высокой скорости сканирования, например, с использованием ультрамикроэлектродов .
• Частота выборки : скорость, с которой можно точно измерить потенциал или напряжение. Это может быть важно для экспериментов, требующих высокой скорости сканирования, например, с использованием ультрамикроэлектродов.
• Размер файла : ограничивающим фактором может быть ограничение размера файла. Это, скорее всего, повлияет на выбор потенциального диапазона развертки или потенциальной частоты дискретизации.
• Диапазон электрического тока (измеренный и приложенный) : максимальный диапазон, в котором можно измерять ток. Применение больших токов важно для экспериментов, в которых пропускают большие токи, например, при большом объемном электролизе . Измерение малых токов важно для экспериментов, в которых пропускаются малые токи, например, с использованием ультрамикроэлектродов.
• Текущее разрешение : определяет рабочий диапазон конкретного эксперимента и битовое разрешение этих данных в текущем измерении.
• Точность тока (измеренная и прикладная) : пределы отклонений между фактическими и заявленными.
• Количество рабочих каналов : сколькими рабочими электродами может управлять прибор. Бипотенциостат вращающегося необходим для управления системами с двумя рабочими электродами типа кольцевого дискового электрода . Полипотенциостат может быть важен для управления некоторыми биологическими экспериментами с тремя и более рабочими электродами. В сочетании с амперметром с нулевым сопротивлением на каждый электрод можно контролировать множество поляризаций одновременно в одной и той же ячейке вокруг он пара потенциал. Если амперметры с нулевым сопротивлением обладают компенсирующей способностью, то в одной и той же испытательной камере можно одновременно проводить несколько испытаний вокруг индивидуального потенциала покоя каждого электрода. Такие функции могут быть полезны для мониторинга коррозии покрытых электродов или сегментированных, но иным образом связанных сварных швов.
• След : потенциостаты включают в себя небольшие устройства размером примерно 20 х 10 х 5 см и весом менее килограмма или простую плату, которую можно установить в настольный компьютер. Большая настольная модель будет иметь размеры порядка 50 х 20 х 10 см и весить до 5 кг или более.
• Интерфейс : может ли прибор работать независимо или должен быть подключен к персональному компьютеру.
• Генератор развертки : может ли система применять аналоговую развертку или в качестве приближения она использует цифровой лестничный генератор. Если используется цифровая лестница, то важно разрешение лестницы.
• Вращающийся электрод : может ли прибор работать с вращающимся электродом. Это характерно для экспериментов, требующих вращающегося дискового электрода или вращающегося кольцевого дискового электрода .

См. также

• Амперостат
• Кулонометрия
• Электроаналитический метод
• Гальваностат
• Операционный усилитель
• Полярография
• Потенциометрия
• Вольтамперометрия

Дальнейшее чтение

• «Недорогой портативный программируемый потенциостат» . Химический педагог . дои : 10.1333/s00897050972a . Архивировано из оригинала 1 марта 2006 г. Проверено 6 октября 2008 г.
• Стаикопулос, Д.Н. (1961). «Сильноточный электронный потенциостат». Обзор научных инструментов . 32 (2): 176–178. Бибкод : 1961RScI...32..176S . дои : 10.1063/1.1717304 .
• Фридман, Эллиот С.; Розенбаум, Мириам А.; Ли, Александр В.; Липсон, Дэвид. А.; Лэнд, Брюс Р.; Ангенент, Ларгус Т. (2012). «Экономичный и готовый к эксплуатации потенциостат, который настраивает подповерхностные электроды для мониторинга бактериального дыхания». Биосенсоры и биоэлектроника . 32 (1): 309–313. дои : 10.1016/j.bios.2011.12.013 . ПМИД   22209069 .
• В. Колберн, Алекс; Дж. Леви, Кэтрин; О'Хара, Дэнни; В. Макферсон, Джули (2021). «Поднятие крышки потенциостата: руководство для начинающих по пониманию электрохимических схем и практической эксплуатации» . Физическая химия Химическая физика . 23 (14): 8100–8117. Бибкод : 2021PCCP...23.8100C . дои : 10.1039/D1CP00661D . ПМИД   33875985 .

Внешние ссылки

• Генадий Рагойша (веб-мастер), « Потенциодинамическая электрохимическая импедансная спектроскопия (ПДЭИС) », Физико-химический научно-исследовательский институт БГУ. Описание использования потенциостата в виртуальных приборах для электрохимических экспериментов.
• Пьер Р. Роберж (веб-мастер) « Потенциостат », Электрохимический словарь коррозии-doctors.org .
• «CheapStat: потенциостат «сделай сам» с открытым исходным кодом...» , Аарон А. Роу и др. , Калифорнийский университет в Санта-Барбаре