potenciostatu je zdroj napětí, který je schopen měnit svůj výstupní potenciál v reakci na změny odporu napříč obvodem. V experimentech s elektrochemií jsou potenciostaty schopny dodávat více či méně proudu, takže potenciál napříč elektrochemicky aktivní buňkou zůstává konstantní podle Ohmova zákona.

elektrochemické techniky, jako je cyklická voltametrie, lineární voltametrie a další typy voltametrie, vyžadují potenciostat k měření redoxních událostí probíhajících v roztoku.

typická experimentální sestava se skládá z potenciostatu připojeného k tříelektrodovému článku pracovní elektrodou, protielektrodou a referenční elektrodou. Potenciostaty řídí potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou a měří proud mezi pracovní a čítačovou elektrodou.

Analýza dat zaznamenaných potenciostatem odhaluje různé vnitřní elektrochemické vlastnosti materiálu, v závislosti na použité metodě. Pomocí technik, jako je cyklická voltametrie, mohou být potenciostaty použity k nalezení redoxního potenciálu materiálů, stanovení reverzibility reakce, poskytnutí kvantitativního popisu elektrochemické reverzibility a stanovení energetických hladin polovodivých polymerů.

typy Potenciostatu

specifikace a vlastnosti Potenciostatu se liší v závislosti na jejich zamýšlené aplikaci.

Typ Potenciostatu	specifické vlastnosti	aplikace
přenosné potenciostaty	malé, napájené z baterie, schopné provádět omezené funkce, ale poskytují rychlý výsledek. Může obsahovat vestavěný displej nebo vyžadovat použití smartphonu.	terénní práce, environmentální měření, jako je testování olova v pitné vodě nebo lékařské testy, jako je měření množství železa v krvi.
laboratorní potenciostaty	vhodné pro použití v laboratoři, výkonnější než ruční jednotky a produkují data, která lze analyzovat mnohem hlouběji. Často dodáváno se softwarem navrženým tak, aby bylo rychlejší a snadnější provádět specifické elektrochemické experimenty.	Voltametrické techniky, jako je cyklická voltametrie a lineární zametací voltametrie, které lze použít k měření kinetiky přenosu elektronů, stanovení reverzibility reakce, stanovení formálního redukčního potenciálu druhu, charakterizace vázané reakce a další.
Bipotentiostatika	větší a dražší než normální laboratorní potenciostatika, bipotentiostatika mají dva kanály. To není nutné pro většinu elektrochemických metod.	experimenty, které zahrnují hydrodynamický tok, jako je hydrodynamická voltametrie. Obvykle se používá s rotující prstencovou diskovou elektrodou (RRDE).
Polypotentiostatika	Polypotentiostatika může odkazovat na jakýkoli potenciostatik, který má tři nebo více kanálů. Polypotentiostaty mají obecně velkou cenovku a nejsou vyžadovány pro drtivou většinu experimentů.	jak je uvedeno výše. Každý kanál může být také obvykle spuštěn nezávisle se samostatnými buňkami, takže více experimentů může být spuštěno současně.

obecně se termín „potenciostat“ používá k označení jednokanálového stolního zařízení, jak lze nalézt v jakékoli typické elektrochemické laboratoři.

Potenciostatika vs. galvanostaty

Potenciostaty jsou často diskutovány spolu s podobnými elektrochemickými zařízeními, jako jsou galvanostaty (také známé jako amperostaty). Galvanostaty pracují na podobných principech jako potenciostaty, ale udržují konstantní proud v buňce spíše než konstantní potenciál. Nejběžnější aplikací pro galvanostaty jsou nabíječky baterií.

návrh Potenciostatového obvodu

zjednodušený diagram potenciostatového obvodu je znázorněn na obrázku 1. Skládá se z několika klíčových částí, z nichž každá je podrobně popsána níže: generátor signálu, zesilovač zpětné vazby, řídicí zesilovač, proudový zesilovač a převodník signálu.

generátor signálu

generátor signálu určuje použité rozlišení napětí potenciostatu. Vysílá proměnná stejnosměrná (stejnosměrná) napětí přes digitální analogový převodník (DAC), který převádí počítačem generovaný signál na napětí. To umožňuje uživateli přesně řídit výstupní napětí potenciostatu prostřednictvím počítače.

zesilovač zpětné vazby

zesilovač zpětné vazby napětí je možná nejdůležitější součástí potenciostatového obvodu. Měří napětí mezi pracovní referencí a referenční elektrodou a předává ji převodníku signálu, který má být odeslán do počítače. Toto napětí však také přivádí do záporné svorky řídicího zesilovače. To umožňuje potenciostatu prostřednictvím řídicího zesilovače udržovat nastavené napětí stabilní vzhledem k referenční elektrodě.

je důležité, aby zpětnovazební zesilovač nepřetěžoval napětí elektrody a nerušil elektrochemickou reakci, takže se používá vysoká vstupní impedance s velmi nízkým vstupním proudem (pA). Zesilovač zpětné vazby musí být také dostatečně rychlý, aby potenciostatu umožnil držet krok s rychlými změnami, ke kterým může dojít při elektrochemických reakcích, a poskytnout zpětnovazební napětí výstupnímu zesilovači.

řídicí zesilovač

řídicí zesilovač odebírá napěťový výstup generátoru signálu a zpětnovazebního zesilovače a vydává napětí, které bude předáno mezi pracovní a čítačovou elektrodou. To je místo, kde potenciostat představuje jakoukoli ztrátu napětí v důsledku elektrochemických reakcí probíhajících v článku. Použitím výstupu zpětnovazebního zesilovače jako vstupu řídicího zesilovače se signál zvyšuje nebo snižuje, což umožňuje zařízení udržovat napětí mezi pracovní a referenční elektrodou stabilní.

SPECIFIKACE řídicího zesilovače určí maximální napětí a proud, který může systém potenciostatu výstupovat.

proudový zesilovač a proudové rozsahy

tato část obvodu slouží k měření proudu procházejícího pracovní elektrodou a protielektrodou. Skládá se z jediného rezistoru nebo sady odporů (proudové rozsahy) a zesilovače. Každý odpor odpovídá jinému rozsahu proudu a lze jej zapnout nebo vypnout a vybrat požadovaný rozsah proudu. Proto počet a odpory těchto odporů určují proudy, které lze měřit potenciostatem.

když proud prochází rezistorem, generuje napětí. Napětí je zvýšeno zesilovačem podle zvoleného proudového rozsahu a předáno do převodníku signálu, kde je převedeno na měření proudu.

převodník signálu

převodník signálu používá analogově-digitální převodník (ADC) k převodu výstupu zesilovače zpětné vazby napětí a zesilovače proudu na digitální signál, který může být interpretován počítačem připojeným k potenciostatu.

nastavení elektrochemických článků

Potenciostaty lze použít k řízení dvou, tří nebo čtyř konfigurací elektrod (a jak je uvedeno výše, vícekanálové bipotentiostaty nebo polypotentiostaty mohou řídit rotační prstencové diskové elektrodové systémy).

nastavení tří elektrod je zdaleka nejběžnější a skládá se z pracovní elektrody, protielektrody a referenční elektrody. Každá z těchto tří funkcí existuje také ve dvou elektrodových článcích, pouze jediné rozhraní poskytuje referenční potenciál a umožňuje proudění proudu přes buňku. Primárním problémem s takovým nastavením je to, že znemožňuje přesné řízení potenciálu na pracovní elektrodě.

pracovní elektroda

pracovní elektroda je primární elektrodou v elektrochemickém systému. Je to místo, kde aplikované napětí vstupuje do systému a kde probíhá většina elektrochemických reakcí a přenosu elektronů.

měření potenciálu a proudu v elektrochemickém systému zahrnuje pracovní elektrodu pro dvou i tříelektrodové systémy. V dvouelektrodových systémech se měří potenciál a proud mezi pracovní a čítačovou elektrodou. V systémech se třemi elektrodami měří potenciostat potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou, zatímco proud se měří mezi pracovní a čítačovou elektrodou.

platina je nejběžnějším materiálem používaným pro pracovní elektrody díky své elektrochemické stabilitě a snadné výrobě. Mezi další běžně používané materiály patří zlato, uhlík a rtuť.

referenční elektroda

tím, že mají stabilní, známý a dobře definovaný elektrochemický potenciál, poskytují referenční elektrody konstantu pro elektrochemické měření.

používají se v systému se třemi elektrodami k udržení stabilního potenciálu, proti kterému potenciostat měří a řídí pracovní a čítačové elektrody. Toho je dosaženo použitím materiálů s dobře definovanými elektrochemickými potenciály, typicky chemicky oddělenými od reakcí vyskytujících se během měření. Když je vynesen voltamogram takového systému, potenciál je ten, který se měří mezi pracovní a referenční elektrodou.

v ideálním elektrochemickém systému bude nulový proud protékat referenční elektrodou, což umožní přesné měření a řízení potenciálu na pracovní elektrodě. Toho je dosaženo referenční elektrodou, která má velmi nízkou impedanci, ideálně nulovou.

Counter elektroda

Counter elektrody, také známé jako pomocné elektrody, dokončují obvod systému se dvěma nebo třemi elektrodami. Stejně jako u pracovní elektrody je platina nejběžnějším materiálem používaným pro čítače elektrod díky své elektrochemické a mechanické stabilitě a vysoké elektrické vodivosti.

v dvouelektrodových systémech se jako referenční elektroda používá také protielektroda. To vyžaduje, aby měl mnohem větší plochu povrchu než pracovní elektroda, aby se zajistilo, že reakční kinetika na pracovní elektrodě nebude inhibována těmi na protielektrodě.

v tříelektrodových systémech se měří proud mezi pracovní a čítačovou elektrodou. Potenciál se zde neměří, ale je upraven potenciostatem, aby se vyrovnaly elektrochemické reakce, ke kterým dochází. Místo toho se měří potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou, ideálně s nulovým proudem procházejícím mezi čítačem a referenčními elektrodami.

někdy je čítačová elektroda oddělena od pracovní elektrody podobným způsobem jako referenční elektroda, aby se snížil vliv reakcí probíhajících na protielektrodě na reakce na pracovní elektrodě.

SPECIFIKACE Potenciostatu vysvětleny

přesnost, přesnost a rozlišení

než budeme moci diskutovat o významech různých specifikací potenciostatu, musíme nejprve objasnit tři vlastnosti, které jsou často nepochopeny: přesnost, přesnost a rozlišení.

přesnost je, jak blízko je naměřená hodnota skutečné hodnotě. Toto je reprezentováno buď jako absolutní offset, procento naměřené hodnoty, nebo kombinace těchto dvou.

přesnost je opakovatelnost měření, tj., jak blízko budou opakovaná měření stejného bodu. Obvykle je to reprezentováno jako absolutní hodnota.

rozlišení je nejmenší změna hodnoty, kterou lze vnímat měřením. Obvykle je to reprezentováno jako absolutní hodnota.

užitečnou analogií, která pomůže objasnit rozdíly těchto tří vlastností, je myslet na cíl, jaký by byl použit v lukostřelbě, a na to, jak by každá z těchto vlastností platila, jak je znázorněno na obrázku 2.

jak vidíme, přesnost určuje, jak blízko středu cíle jsou šipky (nebo v případě měření datové body), zatímco přesnost určuje seskupení. Čtyři možné výsledky obrázku jsou uvedeny níže:

1. vysoká přesnost, vysoká přesnost-šipky jsou pevně seskupeny kolem středu cíle.
2. vysoká přesnost, nízká přesnost-šipky jsou řídce seskupeny kolem středu cíle.
3. nízká přesnost, vysoká přesnost-šipky jsou pevně seskupeny od středu cíle.
4. nízká přesnost, nízká přesnost-šipky jsou řídce seskupeny od středu cíle.

jak se rozlišení faktor do toho? Při použití stejné analogie cíle, rozlišení by byla šířka každého prstence, s nižším rozlišením, které má silnější kroužky a vyšší rozlišení, které má tenčí kroužky, jak je znázorněno na obrázku 3.

potenciálního rozsahu

potenciální rozsah je potenciální okno, které může být aplikováno a měřeno potenciostatem mezi pracovní a referenční elektrodou. To obvykle platí pro pozitivní i negativní potenciál a v takovém případě je reprezentován symbolem plus/mínus.

potenciální shoda

potenciální shoda je maximální limit pro potenciál, který je potenciostat schopen výstup mezi pracovní a čítačovou elektrodou. Stejně jako u potenciálního rozsahu platí pro pozitivní i negativní potenciály a jako takový je reprezentován symbolem plus/mínus.

elektrochemické reakce, ke kterým dochází během měření, často vedou ke snížení potenciálu na referenční elektrodě. To znamená, že pro dosažení požadovaného potenciálu musí být na buňku aplikován větší výstupní potenciál.

je důležité si uvědomit rozdíl mezi potenciálním rozsahem a potenciální shodou. Rozsah potenciálu je aplikovaný a měřený potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou, zatímco potenciální shoda je absolutní maximální potenciál, který lze použít mezi pracovní a čítačovou elektrodou.

Aplikovaná přesnost potenciálu

použitá přesnost potenciálu je maximální množství, které se výstupní potenciál potenciostatu může lišit od nastaveného potenciálu. Konkrétně se jedná o potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou. Je reprezentován jako plus / minus offset.

aplikované rozlišení potenciálu

protože potenciostat používá digitální signály k určení potenciálu výstupu, jakákoli změna potenciálu se objeví jako krok a profil skenování řadu kroků v průběhu času, jak je znázorněno na obrázku 4. Použité rozlišení potenciálu určuje, jak malé mohou být tyto kroky, protože je to nejmenší změna potenciálu, kterou může potenciostat výstupovat.

maximální proud

maximální proud je nejvyšší elektrický proud, který lze měřit potenciostatem. Platí pro pozitivní i negativní proudy a jako takový je reprezentován symbolem plus / mínus. Pokud je měřený proud mimo tento rozsah, potenciostat vypne výstupní potenciál, aby se zabránilo poškození jednotky.

proudové rozsahy

aby bylo dosaženo konzistentní úrovně přesnosti a přesnosti pro měření proudu v miliampérech i nanoampérech, jsou měření proudu rozdělena do sady rozsahů. Tyto rozsahy jsou obvykle odděleny řádově, a zatímco jeden rozsah může obvykle měřit proudy obsažené v rozsahu pod ním, přesnost a přesnost měření bude horší.

měření proudových prací měřením napětí přes známý odpor, když jím prochází proud. Proto se pro měření proudu v různých řádech používá řada odporů, s nižšími proudy procházejícími rezistory s vyšším odporem.

přesnost, přesnost, šum a rozlišení každého rozsahu obvykle sledují stejné řádové rozdíly jako proudy, protože tyto jsou nejvíce ovlivněny měřením napětí, spíše než použitými odpory.

přesnost měření proudu

přesnost měření proudu je maximální částka, kterou se naměřená aktuální hodnota může lišit od skutečné aktuální hodnoty. Je důležité si uvědomit, že většina měření se bude lišit o méně než toto množství. Tato hodnota se měří řádově podle aktuálních rozsahů.

rozlišení měření proudu

rozlišení měření proudu je nejmenší změna proudu, kterou lze měřit potenciostatem. Tato hodnota se měří řádově podle aktuálních rozsahů.

SPECIFIKACE Ossila Potentiostatu

SPECIFIKACE potenciálu

rozsah potenciálu

±7.5 V

potenciální shoda

±10 V

Aplikovaná přesnost potenciálu

±10 mV offset

použité rozlišení potenciálu

333 µV

aktuální specifikace

maximální proud	přesnost	rozlišení
± 150 mA	± 200 µA	50 µA
± 20	± 20 µA	5 µA
± 2 mA	± 2 µA	500 nA
± 200 µA	± 200 nA	50 nA
± 20 µA	± 20 nA	5 nA

další specifikace

komunikace

USB-B

celkové rozměry

šířka: 125 mm výška: 55 mm Hloubka: 175 mm

hmotnost

600 g