Un potenciostato es una fuente de voltaje que puede variar su potencial de salida en respuesta a cambios en la resistencia a través de un circuito. En experimentos electroquímicos, los potenciostatos son capaces de suministrar más o menos corriente para que el potencial a través de una célula electroquímicamente activa permanezca constante según la Ley de Ohm.

Las técnicas electroquímicas como la voltamperometría cíclica, la voltamperometría de barrido lineal y otros tipos de voltamperometría requieren un potenciostato para medir los eventos redox que tienen lugar en una solución.

Una configuración experimental típica consiste en un potenciostato conectado a una celda de tres electrodos por un electrodo de trabajo, un electrodo de contador y un electrodo de referencia. Los potenciostatos controlan el potencial entre los electrodos de trabajo y de referencia y miden la corriente entre los electrodos de trabajo y de contador.

El análisis de los datos registrados por un potenciostato revela varias propiedades electroquímicas intrínsecas del material, dependiendo del método utilizado. Utilizando técnicas como la voltamperometría cíclica, los potenciostatos se pueden utilizar para encontrar el potencial redox de los materiales, determinar la reversibilidad de una reacción, proporcionar una descripción cuantitativa de la reversibilidad electroquímica y determinar los niveles de energía de los polímeros semiconductores.

Tipos de Potenciostatos

Las especificaciones y características de Potenciostatos varían según su aplicación prevista.

Tipo Potenciostato	Características específicas	Aplicaciones
Potenciostatos portátiles	Pequeños, alimentados por batería, capaces de realizar funciones limitadas pero dar un resultado rápido. Puede tener una pantalla incorporada o requerir el uso de un teléfono inteligente.	Trabajo de campo, mediciones ambientales como pruebas de plomo en el agua potable o pruebas médicas como la medición de la cantidad de hierro en la sangre.
Potenciostatos de laboratorio	Adecuados para su uso en el laboratorio, más potentes que las unidades portátiles y producen datos que se pueden analizar en mucha mayor profundidad. A menudo se suministra con software diseñado para que sea más rápido y fácil ejecutar experimentos electroquímicos específicos.	Técnicas voltamperométricas como la voltamperometría cíclica y la voltamperometría de barrido lineal, que se pueden usar para medir la cinética de transferencia de electrones, determinar la reversibilidad de una reacción, determinar el potencial de reducción formal de una especie, caracterizar una reacción acoplada, y más.
Bipotenciostatos	Más grandes y más caros que los potenciostatos normales de laboratorio, los bipotenciostatos tienen dos canales. Esto no es necesario para la mayoría de los métodos electroquímicos.	Experimentos que involucran flujo hidrodinámico, como la voltamperometría hidrodinámica. Normalmente se usa con un electrodo de disco de anillo giratorio (RRDE).
Polipotenciostatos	El polipotenciostato puede referirse a cualquier potenciostato que tenga tres o más canales. Los polipotenciostatos generalmente tienen un gran precio y no son necesarios para la gran mayoría de los experimentos.	Como se indica más arriba. Cada canal también se puede ejecutar de forma independiente con celdas separadas para que se puedan ejecutar múltiples experimentos simultáneamente.

En general, el término ‘potenciostato’ se utiliza para referirse a un dispositivo de escritorio de un solo canal, como se puede encontrar en cualquier laboratorio de electroquímica típico.

Potenciostatos vs galvanostatos

Los potenciostatos a menudo se discuten junto con dispositivos electroquímicos similares, como galvanostatos (también conocidos como amperostatos). Los galvanostatos funcionan con principios similares a los potenciostatos, pero mantienen una corriente constante en toda la célula en lugar de un potencial constante. La aplicación más común para galvanostatos es como cargadores de baterías.

Diseño de circuito de potenciostato

En la figura 1 se muestra un diagrama de circuito de potenciostato simplificado. Consta de varias secciones clave, cada una de las cuales se detalla a continuación: un generador de señal, un amplificador de retroalimentación, un amplificador de control, un amplificador de corriente y un convertidor de señal.

Generador de señal

El generador de señal determina la resolución de tensión aplicada del potenciostato. Emite voltajes variables de CC (corriente continua) a través de un convertidor digital a analógico (DAC), que convierte una señal generada por computadora en un voltaje. Esto permite al usuario controlar con precisión la tensión de salida del potenciostato a través de un ordenador.

Amplificador de retroalimentación

El amplificador de retroalimentación de voltaje es quizás la parte más importante del circuito de potenciostato. Mide el voltaje entre la referencia de trabajo y el electrodo de referencia, pasándolo al convertidor de señal para enviarlo al ordenador. Sin embargo, también alimenta este voltaje al terminal negativo del amplificador de control. Esto permite que el potenciostato, a través del amplificador de control, mantenga la tensión establecida estable en relación con el electrodo de referencia.

Es importante que el amplificador de retroalimentación no sobrecargue el voltaje del electrodo y perturbe la reacción electroquímica, por lo que se utiliza una impedancia de entrada alta con una corriente de entrada (pA) muy baja. El amplificador de retroalimentación también debe ser lo suficientemente rápido para permitir que el potenciostato se mantenga al día con los cambios rápidos que pueden ocurrir en las reacciones electroquímicas y proporcione el voltaje de retroalimentación al amplificador de salida.

Amplificador de control

El amplificador de control toma la salida de voltaje del generador de señal y el amplificador de retroalimentación y emite el voltaje que se pasará entre los electrodos de trabajo y contador. Aquí es donde el potenciostato explica cualquier pérdida de voltaje debido a reacciones electroquímicas que tienen lugar en la célula. Al utilizar la salida del amplificador de retroalimentación como entrada del amplificador de control, la señal aumenta o disminuye, lo que permite que el dispositivo mantenga estable el voltaje entre los electrodos de trabajo y de referencia.

Las especificaciones del amplificador de control determinarán el voltaje y la corriente máximos que el sistema de potenciostato puede emitir.

Amplificador de corriente y rangos de corriente

Esta sección del circuito es para medir la corriente que pasa a través del electrodo de trabajo y el electrodo contrario. Consiste en una sola resistencia o un conjunto de resistencias (los rangos de corriente) y un amplificador. Cada resistencia corresponde a un rango de corriente diferente y se puede activar o desactivar para seleccionar el rango de corriente deseado. Por lo tanto, el número y las resistencias de estas resistencias determinarán las corrientes que se pueden medir con un potenciostato.

Cuando la corriente pasa a través de una resistencia, genera un voltaje. El amplificador aumenta la tensión de acuerdo con el rango de corriente seleccionado y pasa al convertidor de señal, donde se convierte en una medición de corriente.

Convertidor de señal

El convertidor de señal utiliza un convertidor analógico a digital (ADC) para convertir la salida del amplificador de retroalimentación de voltaje y el amplificador de corriente en una señal digital que puede ser interpretada por un ordenador conectado al potenciostato.

Configuración de celdas electroquímicas

Los potenciostatos se pueden usar para controlar dos, tres o cuatro configuraciones de electrodos (y como se discutió anteriormente, los bipotenciostatos multicanal o polipotenciostatos pueden controlar sistemas de electrodos de disco de anillo giratorio).

La configuración de tres electrodos es, con mucho, la más común y consiste en un electrodo de trabajo, un electrodo de contador y un electrodo de referencia. Cada una de estas tres funciones también existe en una celda de dos electrodos, solo una única interfaz proporciona un potencial de referencia y permite que la corriente fluya a través de la celda. El problema principal con tal configuración es que hace imposible controlar con precisión el potencial en el electrodo de trabajo.

Electrodo de trabajo

El electrodo de trabajo es el electrodo primario en un sistema electroquímico. Es donde el voltaje aplicado entra en el sistema, y donde tienen lugar la mayoría de las reacciones electroquímicas y la transferencia de electrones.

Las mediciones de potencial y corriente en un sistema electroquímico implican el electrodo de trabajo para sistemas de dos y tres electrodos. En los sistemas de dos electrodos, el potencial y la corriente se miden entre los electrodos de trabajo y los electrodos de contador. En los sistemas de tres electrodos, un potenciostato mide el potencial entre los electrodos de trabajo y de referencia, mientras que la corriente se mide entre los electrodos de trabajo y los electrodos de contador.

El platino es el material más común utilizado para electrodos de trabajo debido a su estabilidad electroquímica y facilidad de fabricación. Otros materiales de uso común incluyen oro, carbono y mercurio.

Electrodo de referencia

Al tener un potencial electroquímico estable, conocido y bien definido, los electrodos de referencia proporcionan una constante para una medición electroquímica.

Se utilizan en un sistema de tres electrodos para mantener un potencial estable contra el cual el potenciostato mide y controla los electrodos de trabajo y de contador. Esto se logra utilizando materiales con potenciales electroquímicos bien definidos, típicamente separados químicamente de las reacciones que ocurren durante la medición. Cuando se traza un voltammograma de tal sistema, el potencial es el que se mide entre los electrodos de trabajo y de referencia.

En un sistema electroquímico ideal, la corriente cero fluirá a través del electrodo de referencia, lo que permite mediciones precisas y control del potencial en el electrodo de trabajo. Esto se logra con un electrodo de referencia que tiene una impedancia muy baja, idealmente cero.

Electrodo de contador

Los electrodos de contador, también conocidos como electrodos auxiliares, completan el circuito de un sistema de dos o tres electrodos. Al igual que con el electrodo de trabajo, el platino es el material más común utilizado para electrodos de contador debido a su estabilidad electroquímica y mecánica, y su alta conductividad eléctrica.

En sistemas de dos electrodos, el electrodo contador también se utiliza como electrodo de referencia. Esto requiere que tenga una superficie mucho mayor que el electrodo de trabajo para garantizar que la cinética de reacción en el electrodo de trabajo no sea inhibida por los del electrodo contrario.

En sistemas de tres electrodos, la corriente se mide entre los electrodos de trabajo y de contador. El potencial no se mide aquí, sino que se ajusta mediante el potenciostato para equilibrar las reacciones electroquímicas que se producen. En su lugar, el potencial se mide entre los electrodos de trabajo y de referencia, idealmente con corriente cero pasada entre el contador y los electrodos de referencia.

A veces, el electrodo de contador se separa del electrodo de trabajo de manera similar al electrodo de referencia para reducir la influencia de las reacciones que tienen lugar en el electrodo de contador sobre las del electrodo de trabajo.

Especificaciones de potenciostatos Explicadas

Precisión, precisión y resolución

Antes de que podamos discutir los significados de las diversas especificaciones del potenciostato, primero debemos aclarar tres propiedades que a menudo se malinterpretan: precisión, precisión y resolución.

La precisión es qué tan cerca está un valor medido del valor verdadero. Esto se representa como un desplazamiento absoluto, un porcentaje del valor medido o una combinación de ambos.

La precisión es la repetibilidad de una medición, p. ej., qué tan cerca estarán las mediciones repetidas del mismo punto. Por lo general, esto se representa como un valor absoluto.La resolución

es el cambio más pequeño en un valor que puede ser percibido por una medición. Por lo general, esto se representa como un valor absoluto.

Una analogía útil para ayudar a aclarar las diferencias de estas tres propiedades es pensar en un objetivo como el que se usaría en el tiro con arco, y cómo se aplicaría cada una de estas propiedades, como se muestra en la figura 2.

Como podemos ver, la precisión determina qué tan cerca del centro del objetivo están las flechas (o, en el caso de una medición, los puntos de datos), mientras que la precisión determina la agrupación. A continuación se presentan los cuatro posibles resultados de la figura:

1. Alta precisión, alta precisión: las flechas se agrupan estrechamente alrededor del centro del objetivo.
2. Alta precisión, baja precisión: las flechas están escasamente agrupadas alrededor del centro del objetivo.
3. Baja precisión, alta precisión: las flechas están agrupadas estrechamente lejos del centro del objetivo.
4. Baja precisión, baja precisión: las flechas están escasamente agrupadas lejos del centro del objetivo.

¿Cómo influye la resolución en esto? Usando la misma analogía de un objetivo, la resolución sería el ancho de cada anillo, con resoluciones más bajas que tienen anillos más gruesos y resoluciones más altas que tienen anillos más delgados, como se muestra en la figura 3.

Rango de potencial

El rango de potencial es la ventana de potencial que puede aplicarse y medirse mediante un potenciostato entre los electrodos de trabajo y de referencia. Esto se aplica típicamente tanto para el potencial positivo como para el negativo, y en tal caso se representa con un símbolo de más/menos.

Conformidad potencial

La conformidad potencial es el límite máximo para el potencial que un potenciostato es capaz de producir entre los electrodos de trabajo y de contador. Al igual que con el rango de potencial, se aplica tanto a los potenciales positivos como a los negativos y, como tal, se representa con un símbolo de más/menos.

Las reacciones electroquímicas que ocurren durante una medición a menudo resultan en una disminución del potencial en el electrodo de referencia. Esto significa que se debe aplicar un mayor potencial de salida a la célula para lograr el potencial deseado.

Es importante tener en cuenta la distinción entre el rango potencial y el cumplimiento potencial. El rango de potencial es el potencial aplicado y medido entre los electrodos de trabajo y de referencia, mientras que el cumplimiento de potencial es el potencial máximo absoluto que se puede aplicar entre los electrodos de trabajo y de contador.

Precisión de potencial aplicada

La precisión de potencial aplicada es la cantidad máxima que el potencial de salida de un potenciostato puede variar del potencial establecido. Específicamente, esto se refiere al potencial entre los electrodos de trabajo y de referencia. Se representa como un desplazamiento de más / menos.

Resolución de potencial aplicada

Como un potenciostato utiliza señales digitales para determinar el potencial de salida, cualquier cambio en el potencial aparecerá como un paso, y un perfil de escaneo una serie de pasos a lo largo del tiempo, como se muestra en la figura 4. La resolución de potencial aplicada determina cuán pequeños pueden ser estos pasos, ya que es el cambio de potencial más pequeño que puede generar un potenciostato.

Corriente máxima

La corriente máxima es la corriente eléctrica más alta que puede medirse con un potenciostato. Se aplica tanto a las corrientes positivas como a las negativas y, como tal, se representa con un símbolo de más/menos. Si una corriente medida está fuera de este rango, un potenciostato apagará el potencial de salida para evitar dañar la unidad.

Rangos de corriente

Para lograr un nivel constante de precisión y precisión para las mediciones de corriente en miliamperios y nanoamperios, las mediciones de corriente se dividen en un conjunto de rangos. Estos rangos están típicamente separados por un orden de magnitud, y mientras que un rango generalmente puede medir las corrientes abarcadas por el rango debajo de él, la precisión y precisión de la medición será peor.

Medición de trabajos de corriente midiendo la tensión a través de una resistencia conocida cuando la corriente pasa a través de ella. Por lo tanto, para medir la corriente en diferentes órdenes de magnitud se utilizan una serie de resistencias, con corrientes más bajas pasadas a través de resistencias de mayor resistencia.

La precisión, el ruido y la resolución de cada rango típicamente siguen el mismo orden de diferencias de magnitud que las corrientes, ya que estas están más influenciadas por la medición del voltaje, en lugar de las resistencias utilizadas.

Precisión de medición de corriente

La precisión de medición de corriente es la cantidad máxima que un valor de corriente medido puede variar del valor de corriente real. Es importante tener en cuenta que la mayoría de las mediciones variarán en menos de esta cantidad. Este valor se escala con el orden de magnitud de los rangos actuales.

Resolución de medición de corriente

La resolución de medición de corriente es el cambio de corriente más pequeño que puede medirse con un potenciostato. Este valor se escala con el orden de magnitud de los rangos actuales.

Especificaciones del potenciostato Ossila

Especificaciones de potencial

Rango de potencial

±7.5 V

Conformidad potencial

±10 V

Precisión de potencial aplicada

Desplazamiento±10 mV

Resolución de potencial aplicada

333 µV

Especificaciones actuales

Corriente máxima	Precisión	Resolución
± 150 mA	± 200 µA	50 µA
± 20 mA	± 20 µA	5 µA
± 2 mA	± 2 µA	500 nA
± 200 µA	± 200 nA	50 nA
± 20 µA	± 20 nA	5 nA

Otras especificaciones

Comunicación

USB-B

Dimensiones

> Ancho: 125 mm Altura: 55 mm Profundidad: 175 mm

Peso

600 g