Что такое потенциостат и для чего он нужен?

 

Потенциостат — электронный прибор, который обеспечивает поддержку и контроль заданного потенциала (или тока в режиме гальваностата) в системе. Преимущественно используется для оценки скорости и механизма протекания электродных процессов.

В быту потенциостат известен в использовании его в качестве глюкометра, холестеринометра, нитратомера и даже мультиметра. В основе работы этих известных устройств лежит оценка прямой зависимости концентрации (глюкозы, нитрат-аниона, холестирина) от плотности тока. То есть — чем выше плотность тока, тем выше концентрация искомого компонента.

Однако возможности потенциостата куда шире. Это сложное оборудование наиболее часто используют для исследования процессов окислительно-восстановительных реакций на границе фаз. Наиболее часто он находит свое применение в исследовательских университетах, институтах и заводских испытательных лабораториях по всему миру.

К основным областям применения потенциостата относят:

• тестирование коррозионной стойкости материалов;
• тестирование топливных батарей, солнечных элементов;
• электраналитический анализ;
• работы с различными типами сенсоров;
• электросинтез;
• электроосаждение или гальваническое покрытие (хромирование, никелирование, цинкование, меднение и пр.);
• анодное окисление и т.д.

Исследования, требующие применения потенциостатов крайне актуальны на сегодняшний день. Активно ведутся новые исследования и разработки для увеличения емкости аккумуляторов и батарей. Постоянно ведутся разработки новых типов гальванических покрытий, которые встречаются на каждом шагу: от хромированных дисков автомобилей до оцинкованных трубопроводов.

Регулярно нефтегазовая промышленность сталкивается с проблемой коррозионной устойчивости нефте- газопроводов. И во всех этих областях потенциостат — самое востребованное и необходимое устройство.

Ключевые особенности потенциостатов:

В электрохимических экспериментах электроды — это та часть оборудования, которая вступает в непосредственный контакт с электролитом. По этой причине электроды очень важны для обеспечения качества и определения результата эксперимента. Поверхность электрода может катализировать или не катализировать химические реакции.

Размер электродов влияет на величину проходящих токов, что может повлиять на отношение сигнал/шум. Но электроды — не единственный ограничивающий фактор для проведения электрохимического эксперимента, потенциостат также имеет свои ограничения. Ниже приведены несколько важных особенностей, которые определяют возможности инструмента.

• Диапазон потенциала (измеренный и заданного): хотя рабочее окно потенциала зависит от используемого растворителя, электроника также может ограничивать возможный диапазон потенциалов.
• Точность потенциала (измеренного и заданного): пределы отклонений между фактическими и заданными величинами потенциала.
• Диапазон скорости сканирования потенциала: насколько медленно или быстро прибор может проводить сканирование потенциала. Это важно для экспериментов, требующих высокой скорости сканирования, например, с использованием микроэлектродов.
• Частота выборки: скорость, с которой происходит регистрация величины потенциала или тока. Это может быть важно для экспериментов, требующих высокой скорости сканирования, например, с использованием микроэлектродов.
• Диапазон тока (измеренного и заданного): минимальное и максимальное значение тока, которое может быть измерено прибором. 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 микроэлектродов.
• Точность тока (измеренного и заданного): пределы отклонений между фактическими и заданными величинами тока.
• Количество рабочих каналов: сколькими рабочими электродами может управлять прибор. Бипотенциостат необходим для управления системами с двумя рабочими электродами типа вращающегося дискового электрода с кольцом. Многоканальный потенциостат может быть важен для испытания серии из большого количества однотипных образцов.
• Занимаемое рабочее место: потенциостат может быть небольшим устройством размером примерно 20 х 10 х 5 см и весом около одного килограмма или быть простой платой, которая устанавливается в системный блок настольного компьютера. 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 лестничная развертка, то важно ее разрешение.
• Вращающийся дисковый электрод: может ли прибор работать с вращающимся дисковым электродом. Это требование актуально для экспериментов, требующих использование вращающегося дискового электрода или вращающегося дискового электрода с кольцом.
• Модуль фарадевского электрохимического импеданса: его наличие существенно расширяет функционально возможности потенциостата.

Устройство потенциостата

Для многих пользователей потенциостаты представляют собой "черные ящики", которые они подключают к своей электрохимической ячейке и измеряют ток и напряжение. Общее представление о работе потенциостата может помочь при выявлении неожиданных результатов в экспериментах.

Компоненты потенциостата

Основным компонентом потенциостата является блок потенциостата, содержащий управляющую электронику. Основная электронная схема внутри блока потенциостата представляет собой операционный усилитель (ОУ). Операционный усилитель - это устройство для усиления напряжения с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Он используется для усиления слабых электрических сигналов. В потенциостате операционные усилители используются для управления напряжением и током, протекающими в электрохимической ячейке, и отвечают за поддержание напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения как можно ближе к требуемому напряжению.

Операционные усилители обычно имеют высокие коэффициенты усиления. На практике это означает, что разница напряжений на входах должна быть очень небольшой. Например, операционный усилитель с коэффициентом усиления 10⁶ должен поддерживать разность напряжений на входах менее 0.015 мВ при напряжении 15 В. Контур отрицательной обратной связи, при котором выходное напряжение подается обратно на один из входов, сводит к минимуму разницу на входе.

Операционный усилитель работает, контролируя равенство напряжений на двух входах. Это достигается за счет регулировки напряжения на вспомогательном (выходного напряжения).
На рисунке 1 представлена схема соединений в электрохимическом элементе. Сопротивления раствора в ячейке между вспомогательным и электродом сравнения, а также между электродом сравнения и рабочим электродом представляют собой делители напряжения. Следовательно, напряжение электрод сравнения vs рабочий электрод известно и контролируется.

Рисунок 1. Схема, показывающая электрохимический элемент, подключенный к операционному усилителю, используемому для управления напряжением в элементе.

Генерация и измерение сигналов

Вторая не менее важная часть электроники потенциостата – это блок генерации и измерения сигналов. Это часть, которая генерирует налагаемые сигналы и преобразует напряжение и ток, наблюдаемые в ячейке, в измеримые сигналы, которые можно передать на компьютер для записи и представления. Современные потенциостаты выполняют это с помощью цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей. Преобразователи ЦАП/АЦП делят гладкие аналоговые сигналы на дискретные фрагменты, называемые битами. Хотя это позволяет генерировать сигналы сложной формы, недостатком является то, что разрешение в битах может привести к искажению формы сигнала и неправильной интерпретации данных. Данные также могут быть пропущены через некоторые этапы обработки сигнала для фильтрации шума, который может привести к неожиданному смещению данных из-за асимметричных шумовых сигналов. Пользователь должен знать об этих возможностях при интерпретации неожиданных результатов.

Кабель для подключения ячейки

Кабель ячейки представляет собой пучок отдельных кабелей, которые составляют часть системы, соединяющей потенциостат с электрохимической ячейкой. Обычно соединения токопроводящих кабелей и кабелей измерения напряжения разделяются, чтобы уменьшить падение напряжения и влияние сопротивления контакта.

Зачем использовать потенциостаты?

Зачем использовать потенциостат вместо мультиметра и источника тока/напряжения? Основная причина использования потенциостата заключается в том, что он может точно управлять одним электродом в многоэлектродной электрохимической ячейке. В трехэлектродной электрохимической ячейке потенциостат контролирует потенциал между рабочим электродом или электродом образца и электродом сравнения. Он измеряет ток между рабочим электродом и вспомогательным. Через электрод сравнения не протекает ток (или протекает очень малый ток), что позволяет ему поддерживать постоянный потенциал. Таким образом, интересующий электрод изолируется от других электродов, и можно изучить его вольт-амперное поведение. На рисунке 2 показано расположение электродов и места измерения тока и напряжения.

Рисунок 2. Схематическое изображение электрохимического элемента, подключенного к источнику питания, с указанием точек измерения напряжения и тока.

И наоборот, в двухэлектродной схеме можно исследовать только вольт-амперное поведение всей ячейки. Сюда входят как интерфейсы электродов, так и раствор между двумя электродами.

 

Ссылки: 

A. W. Colburn, K. J. Levey, D. O’Hare, and J. V. Macpherson, Lifting the lid on the potentiostat: a beginner’s guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation, Physical Chemistry Chemical Physics, Jan. 2021, vol. 23, no. 14, pp. 8100–8117.