Что такое потенциостат?

Что такое потенциостат?

Потенциостат — это устройство, которое контролирует электрический потенциал и ток, а также измеряет электрический потенциал.

В трехэлектродной системе, состоящей из рабочего электрода, противоэлектрода и электрода сравнения в электролите, он контролирует напряжение между рабочим электродом и электродом сравнения и измеряет ток, протекающий между рабочим электродом и противоэлектродом. Он используется в электрохимических измерениях и часто используется вместе с гальваностатами и функциональными генераторами.

В то время как гальваностаты точно контролируют ток, протекающий через электрод, и произвольно регулируют электрохимическую скорость, потенциостаты контролируют потенциал электрода и измеряют ток, протекающий через электрод в это время. Потенциостаты используются для измерения тока, протекающего через электрод.

Применение потенциостатов

Потенциостаты в основном используются для электрохимических измерений. На практике потенциостаты редко используются отдельно, а чаще всего в сочетании с гальваностатами и функциональными генераторами.

Потенциостаты сами по себе могут выполнять только постоянное управление напряжением, но в сочетании с этими устройствами они могут выполнять операции развертки напряжения и импульсные выходы, а их реакция может быть измерена для более глубокого понимания электрохимических характеристик объекта.

Принцип работы потенциостатов

Ключом к принципу работы потенциостата является его управление с отрицательной обратной связью с использованием операционного усилителя.

Операционный усилитель представлен символом схемы, показанным на рисунке 1, и имеет следующие две характеристики:

1. Очень большое внутреннее сопротивление
2. Напряжение на положительном и отрицательном входных клеммах можно считать одинаковым (VIN1=VIN2)

Рисунок 1. Условные обозначения операционных усилителей

Следующие основные функции потенциостатов достигаются схемой с использованием операционного усилителя:

• Предотвращает протекание тока к опорному полюсу
• Контролирует потенциал рабочего электрода относительно контрольного электрода
• Измеряет ток, протекающий между рабочим электродом и противоэлектродом

Высокое внутреннее сопротивление предотвращает протекание тока к контрольному полюсу, и поскольку напряжение на положительном и отрицательном концах одинаково, установленное напряжение можно использовать в качестве напряжения на контрольном полюсе как таковое.

Поскольку операционный усилитель выдает напряжение, соответствующее текущему току, можно измерить ток.

Другая информация о потенциостатах

1. Что такое электрохимическое измерение?

Рисунок 2. Пример вольтамперограммы

Электрохимическое измерение — это метод измерения, при котором электрический сигнал подается на определенный образец от источника питания или другой цепи, чтобы вызвать химическую реакцию, а ответный сигнал используется для оценки химической реакции, происходящей внутри.

Обычным примером является электролиз воды. Вставляя электроды, подключенные к потенциостатам, в воду и подавая электрическую энергию от внешней цепи, можно ускорить или обратить реакцию электролиза воды на рабочем электроде. Этот метод можно использовать при разработке катализаторов, которые ускоряют электролиз воды.

При измерении вольтамперограммы компьютер используется для преобразования контролируемого электродного потенциала из цифрового сигнала в аналоговый сигнал, а электролитический ток, измеряемый потенциостатами, оцифровывается и считывается компьютером. Таким образом, можно определить, какой ток протекал по отношению к изменению напряжения.

Из вольтамперограммы можно определить, какой тип реакции окисления/восстановления происходит на рабочем электроде при каждом потенциале.

2. Причины использования трехэлектродной системы

Рисунок 3. Принципиальная схема потенциостата и трехэлектродной системы

В электрохимических измерениях необходимо точно определять потенциал реакций, происходящих на электродах. Двухэлектродные электрохимические измерения не могут точно измерить потенциал из-за явления поляризации, которое возникает, когда ток протекает как через рабочий электрод, так и через противоэлектрод. Поляризация относится к сдвигу электродного потенциала из-за протекания тока в цепи.

Поэтому в качестве третьего электрода добавляется электрод сравнения, чтобы сформировать трехэлектродную систему, состоящую из рабочего электрода, противоэлектрода и электрода сравнения. Через контрольный электрод ток не протекает, и, измеряя разность потенциалов между рабочим электродом и контрольным электродом, можно точно измерить потенциал рабочего электрода.