Un potentiostat est une source de tension capable de faire varier son potentiel de sortie en réponse à des changements de résistance sur un circuit. Dans les expériences d’électrochimie, les potentiostats sont capables de fournir plus ou moins de courant de sorte que le potentiel à travers une cellule électrochimiquement active reste constant selon la loi d’Ohm.

Les techniques électrochimiques telles que la voltamétrie cyclique, la voltamétrie à balayage linéaire et d’autres types de voltamétrie nécessitent un potentiostat pour mesurer les événements redox se produisant dans une solution.

Une installation expérimentale typique consiste en un potentiostat relié à une cellule à trois électrodes par une électrode de travail, une contre-électrode et une électrode de référence. Les potentiostats contrôlent le potentiel entre les électrodes de travail et de référence et mesurent le courant entre les électrodes de travail et les contre-électrodes.

L’analyse des données enregistrées par un potentiostat révèle diverses propriétés électrochimiques intrinsèques du matériau, selon la méthode utilisée. En utilisant des techniques telles que la voltamétrie cyclique, les potentiostats peuvent être utilisés pour trouver le potentiel redox des matériaux, déterminer la réversibilité d’une réaction, fournir une description quantitative de la réversibilité électrochimique et déterminer les niveaux d’énergie des polymères semi-conducteurs.

Types de Potentiostat

Les spécifications et les caractéristiques du potentiostat varient en fonction de leur application prévue.

Type de potentiostat	Caractéristiques spécifiques	Applications
Potentiostats portables	Petits, alimentés par batterie, capables de remplir des fonctions limitées mais donnant un résultat rapide. Peut comporter un écran intégré ou nécessiter l’utilisation d’un smartphone.	Travaux sur le terrain, mesures environnementales telles que des tests de détection du plomb dans l’eau potable ou des tests médicaux tels que la mesure de la quantité de fer dans le sang.
Les potentiostats de laboratoire	Conviennent pour une utilisation en laboratoire, sont plus puissants que les unités portatives et produisent des données qui peuvent être analysées de manière beaucoup plus approfondie. Souvent fourni avec un logiciel conçu pour accélérer et faciliter l’exécution d’expériences électrochimiques spécifiques.	Les techniques voltamétriques telles que la voltamétrie cyclique et la voltamétrie à balayage linéaire, qui peuvent être utilisées pour mesurer la cinétique de transfert d’électrons, déterminer la réversibilité d’une réaction, déterminer le potentiel de réduction formel d’une espèce, caractériser une réaction couplée, etc.
Bipotentiostats	Plus grands et plus chers que les potentiostats de laboratoire normaux, les bipotentiostats ont deux canaux. Ceci n’est pas nécessaire pour la plupart des méthodes électrochimiques.	Expériences impliquant un écoulement hydrodynamique tel que la voltamétrie hydrodynamique. Généralement utilisé avec une électrode à disque annulaire rotatif (RRDE).
Polypotentiostat	Le polypotentiostat peut désigner tout potentiostat possédant trois canaux ou plus. Les polypotentiostats ont généralement un prix élevé et ne sont pas nécessaires pour la grande majorité des expériences.	Comme ci-dessus. Chaque canal peut également généralement être exécuté indépendamment avec des cellules séparées afin que plusieurs expériences puissent être exécutées simultanément.

En général, le terme « potentiostat » est utilisé pour désigner un appareil de bureau à canal unique, comme on peut le trouver dans n’importe quel laboratoire d’électrochimie typique.

Potentiostats vs. les galvanostats

Les potentiostats sont souvent discutés avec des dispositifs électrochimiques similaires tels que les galvanostats (également appelés ampérostats). Les galvanostats fonctionnent sur des principes similaires aux potentiostats mais maintiennent un courant constant à travers la cellule plutôt qu’un potentiel constant. L’application la plus courante pour les galvanostats est celle des chargeurs de batterie.

Conception de circuit de potentiostat

Un schéma de circuit de potentiostat simplifié est illustré à la figure 1. Il se compose de plusieurs sections clés, dont chacune est détaillée ci-dessous: un générateur de signal, un amplificateur de rétroaction, un amplificateur de commande, un amplificateur de courant et un convertisseur de signal.

Générateur de signaux

Le générateur de signaux détermine la résolution de tension appliquée du potentiostat. Il émet des tensions CC (courant continu) variables via un convertisseur numérique-analogique (DAC), qui convertit un signal généré par ordinateur en tension. Cela permet à l’utilisateur de pouvoir contrôler avec précision la tension de sortie du potentiostat via un ordinateur.

Amplificateur de rétroaction

L’amplificateur de rétroaction de tension est peut-être la partie la plus importante du circuit de potentiostat. Il mesure la tension entre la référence de travail et l’électrode de référence, en la transmettant au convertisseur de signal à envoyer à l’ordinateur. Cependant, il alimente également cette tension à la borne négative de l’amplificateur de commande. Ceci permet au potentiostat, via l’amplificateur de commande, de maintenir la tension de consigne stable par rapport à l’électrode de référence.

Il est important que l’amplificateur de rétroaction ne surcharge pas la tension de l’électrode et ne perturbe pas la réaction électrochimique, de sorte qu’une impédance d’entrée élevée avec un courant d’entrée (pA) très faible est utilisée. L’amplificateur de rétroaction doit également être suffisamment rapide pour permettre au potentiostat de suivre les changements rapides qui peuvent se produire dans les réactions électrochimiques et de fournir la tension de rétroaction à l’amplificateur de sortie.

Amplificateur de commande

L’amplificateur de commande prend la sortie de tension du générateur de signal et de l’amplificateur de rétroaction et délivre la tension qui sera transmise entre les électrodes de travail et de compteur. C’est là que le potentiostat rend compte de toute perte de tension due aux réactions électrochimiques se produisant dans la cellule. En utilisant la sortie de l’amplificateur de rétroaction comme entrée de l’amplificateur de commande, le signal est augmenté ou diminué, ce qui permet au dispositif de maintenir la tension entre les électrodes de travail et de référence stable.

Les spécifications de l’amplificateur de commande détermineront la tension et le courant maximum que le système de potentiostat peut émettre.

Amplificateur de courant et plages de courant

Cette section du circuit sert à mesurer le courant traversant l’électrode de travail et la contre-électrode. Il se compose d’une seule résistance ou d’un ensemble de résistances (les plages de courant) et d’un amplificateur. Chaque résistance correspond à une plage de courant différente et peut être activée ou désactivée pour sélectionner la plage de courant souhaitée. Par conséquent, le nombre et les résistances de ces résistances détermineront les courants pouvant être mesurés par un potentiostat.

Lorsque le courant traverse une résistance, il génère une tension. La tension est augmentée par l’amplificateur en fonction de la plage de courant sélectionnée et transmise au convertisseur de signal où elle est convertie en une mesure de courant.

Convertisseur de signal

Le convertisseur de signal utilise un convertisseur analogique-numérique (CAN) pour convertir la sortie de l’amplificateur de rétroaction de tension et de l’amplificateur de courant en un signal numérique qui peut être interprété par un ordinateur connecté au potentiostat.

Configuration des cellules électrochimiques

Les potentiostats peuvent être utilisés pour contrôler deux, trois ou quatre configurations d’électrodes (et comme indiqué ci-dessus, les bipotentiostats multicanaux ou les polypotentiostats peuvent contrôler des systèmes d’électrodes à disque annulaire rotatif).

La configuration à trois électrodes est de loin la plus courante et consiste en une électrode de travail, une contre-électrode et une électrode de référence. Chacune de ces trois fonctions existe également dans une cellule à deux électrodes, une seule interface fournit à la fois un potentiel de référence et permet au courant de traverser la cellule. Le problème principal d’une telle configuration est qu’elle rend impossible le contrôle précis du potentiel à l’électrode de travail.

Électrode de travail

L’électrode de travail est l’électrode primaire d’un système électrochimique. C’est là que la tension appliquée pénètre dans le système et que la plupart des réactions électrochimiques et des transferts d’électrons ont lieu.

Les mesures de potentiel et de courant dans un système électrochimique impliquent l’électrode de travail pour les systèmes à deux et trois électrodes. Dans les systèmes à deux électrodes, le potentiel et le courant sont mesurés entre les électrodes de travail et les contre-électrodes. Dans les systèmes à trois électrodes, un potentiostat mesure le potentiel entre les électrodes de travail et de référence tandis que le courant est mesuré entre les électrodes de travail et les contre-électrodes.

Le platine est le matériau le plus couramment utilisé pour le travail des électrodes en raison de sa stabilité électrochimique et de sa facilité de fabrication. D’autres matériaux couramment utilisés comprennent l’or, le carbone et le mercure.

Électrode de référence

En ayant un potentiel électrochimique stable, connu et bien défini, les électrodes de référence fournissent une constante pour une mesure électrochimique.

Ils sont utilisés dans un système à trois électrodes pour maintenir un potentiel stable contre lequel le potentiostat mesure et contrôle les électrodes de travail et les contre-électrodes. Ceci est réalisé en utilisant des matériaux avec des potentiels électrochimiques bien définis, généralement séparés chimiquement des réactions survenant lors de la mesure. Lorsqu’un voltammogramme d’un tel système est tracé, le potentiel est celui qui est mesuré entre les électrodes de travail et de référence.

Dans un système électrochimique idéal, un courant nul traversera l’électrode de référence, permettant des mesures précises et un contrôle du potentiel à l’électrode de travail. Ceci est réalisé par l’électrode de référence ayant une impédance très faible, idéalement nulle.

Contre-électrode

Les contre-électrodes, également appelées électrodes auxiliaires, complètent le circuit d’un système à deux ou trois électrodes. Comme pour l’électrode de travail, le platine est le matériau le plus couramment utilisé pour les contre-électrodes en raison de sa stabilité électrochimique et mécanique et de sa conductivité électrique élevée.

Dans les systèmes à deux électrodes, la contre-électrode est également utilisée comme électrode de référence. Cela nécessite qu’elle ait une surface beaucoup plus grande que l’électrode de travail pour s’assurer que la cinétique de réaction au niveau de l’électrode de travail ne soit pas inhibée par celles de la contre-électrode.

Dans les systèmes à trois électrodes, le courant est mesuré entre les électrodes de travail et les contre-électrodes. Le potentiel n’est pas mesuré ici, mais est ajusté par le potentiostat pour équilibrer les réactions électrochimiques se produisant. Au lieu de cela, le potentiel est mesuré entre les électrodes de travail et de référence, idéalement avec un courant nul passé entre le compteur et les électrodes de référence.

Parfois, la contre-électrode est séparée de l’électrode de travail d’une manière similaire à l’électrode de référence pour réduire l’influence des réactions se produisant à la contre-électrode sur celles à l’électrode de travail.

Explication des spécifications du potentiostat

Précision, précision et résolution

Avant de pouvoir discuter des significations des différentes spécifications du potentiostat, nous devons d’abord clarifier trois propriétés souvent mal comprises: précision, précision et résolution.

La précision correspond à la proximité d’une valeur mesurée avec la valeur réelle. Ceci est représenté soit par un décalage absolu, un pourcentage de la valeur mesurée, soit par une combinaison des deux.

La précision est la répétabilité d’une mesure, c’est-à-dire, à quel point les mesures répétées du même point seront rapprochées. En règle générale, cela est représenté comme une valeur absolue.La résolution

est la plus petite variation d’une valeur pouvant être perçue par une mesure. En règle générale, cela est représenté comme une valeur absolue.

Une analogie utile pour aider à clarifier les différences de ces trois propriétés est de penser à une cible telle que celle qui serait utilisée en tir à l’arc, et comment chacune de ces propriétés s’appliquerait, comme le montre la figure 2.

Comme on peut le voir, la précision détermine à quel point les flèches (ou dans le cas d’une mesure, les points de données) sont proches du centre de la cible, tandis que la précision détermine le regroupement. Les quatre résultats possibles de la figure sont donnés ci-dessous:

1. Haute précision, haute précision – les flèches sont étroitement groupées autour du centre de la cible.
2. Haute précision, faible précision – les flèches sont peu groupées autour du centre de la cible.
3. Faible précision, haute précision – les flèches sont étroitement groupées loin du centre de la cible.
4. Faible précision, faible précision – les flèches sont peu groupées loin du centre de la cible.

Comment la résolution tient-elle compte de cela? En utilisant la même analogie d’une cible, la résolution serait la largeur de chaque anneau, les résolutions inférieures ayant des anneaux plus épais et les résolutions supérieures ayant des anneaux plus minces, comme le montre la figure 3.

Plage de potentiel

La plage de potentiel est la fenêtre de potentiel qui peut être appliquée et mesurée par un potentiostat entre les électrodes de travail et de référence. Ceci s’applique généralement à la fois au potentiel positif et au potentiel négatif, et dans un tel cas est représenté par un symbole plus / moins.

Conformité potentielle

La conformité potentielle est la limite maximale du potentiel qu’un potentiostat est capable de délivrer entre les électrodes de travail et les contre-électrodes. Comme pour la plage de potentiels, elle s’applique à la fois aux potentiels positifs et négatifs et, en tant que telle, est représentée par un symbole plus / moins.

Les réactions électrochimiques qui se produisent lors d’une mesure entraînent souvent une diminution du potentiel à l’électrode de référence. Cela signifie qu’un potentiel de sortie plus important doit être appliqué à la cellule pour atteindre le potentiel souhaité.

Il est important de noter la distinction entre la plage potentielle et la conformité potentielle. La plage de potentiel est le potentiel appliqué et mesuré entre les électrodes de travail et de référence, tandis que la conformité de potentiel est le potentiel maximal absolu qui peut être appliqué entre les électrodes de travail et de contre-électrode.

Précision du potentiel appliqué

La précision du potentiel appliqué est la quantité maximale que le potentiel de sortie d’un potentiostat peut varier du potentiel défini. Plus précisément, il s’agit du potentiel entre les électrodes de travail et de référence. Il est représenté par un décalage plus / moins.

Résolution de potentiel appliquée

Comme un potentiostat utilise des signaux numériques pour déterminer le potentiel de sortie, tout changement de potentiel apparaîtra comme une étape, et un profil de balayage une série d’étapes au fil du temps, comme le montre la figure 4. La résolution de potentiel appliquée détermine à quel point ces étapes peuvent être petites, car c’est le plus petit changement de potentiel qui peut être produit par un potentiostat.

Courant maximal

Le courant maximal est le courant électrique le plus élevé pouvant être mesuré par un potentiostat. Il s’applique à la fois aux courants positifs et négatifs et, en tant que tel, est représenté par un symbole plus / moins. Si un courant mesuré est en dehors de cette plage, un potentiostat coupera le potentiel de sortie pour éviter d’endommager l’appareil.

Plages de courant

Pour atteindre un niveau constant de précision et de précision pour les mesures de courant à la fois en milliampères et en nanoampères, les mesures de courant sont divisées en un ensemble de plages. Ces plages sont généralement séparées par un ordre de grandeur, et bien qu’une plage puisse généralement mesurer les courants englobés par la plage inférieure, la précision et la précision de la mesure seront pires.

La mesure du courant fonctionne en mesurant la tension aux bornes d’une résistance connue lorsque le courant la traverse. Par conséquent, pour mesurer le courant à différents ordres de grandeur, une série de résistances est utilisée, avec des courants plus faibles traversant des résistances à résistance plus élevée.

La précision, la précision, le bruit et la résolution de chaque plage suivent généralement les mêmes différences d’ordre de grandeur que les courants, car celles-ci sont le plus fortement influencées par la mesure de la tension, plutôt que par les résistances utilisées.

Précision de mesure du courant

La précision de mesure du courant est la quantité maximale qu’une valeur de courant mesurée peut varier de la valeur de courant réelle. Il est important de noter que la plupart des mesures varieront de moins que cette quantité. Cette valeur s’adapte à l’ordre de grandeur des plages actuelles.

Résolution de mesure de courant

La résolution de mesure de courant est la plus petite variation de courant pouvant être mesurée par un potentiostat. Cette valeur s’adapte à l’ordre de grandeur des plages actuelles.

Spécifications du Potentiostat Ossila

Spécifications de potentiel

Plage de potentiel

±7.5 V

Conformité potentielle

±10 V

Précision potentielle appliquée

±10 MV offset

Résolution potentielle appliquée

333 µV

Caractéristiques actuelles

Courant maximum	Précision	Résolution
± 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

Autres spécifications

Communication

USB-B

Dimensions Hors tout

Largeur: 125 mm Hauteur: 55 mm Profondeur: 175 mm

Poids

600 g