Un potentiostat è una sorgente di tensione che è in grado di variare il suo potenziale di produzione in risposta ai cambiamenti nella resistenza attraverso un circuito. Negli esperimenti di elettrochimica, i potenziostati sono in grado di fornire più o meno corrente in modo che il potenziale attraverso una cella elettrochimicamente attiva rimanga costante secondo la Legge di Ohm.

Le tecniche elettrochimiche come la voltammetria ciclica, la voltammetria lineare e altri tipi di voltammetria richiedono un potenziostato per misurare gli eventi redox che si svolgono in una soluzione.

Un tipico set up sperimentale è costituito da un potenziostato collegato a una cella a tre elettrodi da un elettrodo di lavoro, un controelettrodo e un elettrodo di riferimento. I potenziostati controllano il potenziale tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento e misurano la corrente tra gli elettrodi di lavoro e di contatore.

L’analisi dei dati registrati da un potenziostato rivela varie proprietà elettrochimiche intrinseche del materiale, a seconda del metodo utilizzato. Utilizzando tecniche come la voltammetria ciclica, i potenziostati possono essere utilizzati per trovare il potenziale redox dei materiali, determinare la reversibilità di una reazione, fornire una descrizione quantitativa della reversibilità elettrochimica e determinare i livelli di energia dei polimeri semiconduttori.

Tipi di Potentiostat

Potentiostat le specifiche e le caratteristiche variano a seconda della loro applicazione.

Potenziostato Tipo	Caratteristiche specifiche	Applicazioni
Potenziostati portatili	Piccoli, alimentati a batteria, in grado di svolgere funzioni limitate ma dare un risultato rapido. Può essere dotato di un display integrato o richiedere l’uso di uno smartphone.	Lavoro sul campo, misurazioni ambientali come test per il piombo nell’acqua potabile o test medici come misurare la quantità di ferro nel sangue.
Potenziostati di laboratorio	Adatti per l’uso in laboratorio, più potenti delle unità portatili e producono dati che possono essere analizzati in profondità. Spesso fornito con software progettato per rendere più veloce e più facile l’esecuzione di esperimenti elettrochimici specifici.	Tecniche voltammetriche come la voltammetria ciclica e la voltammetria lineare a scansione, che possono essere utilizzate per misurare la cinetica di trasferimento di elettroni, determinare la reversibilità di una reazione, determinare il potenziale di riduzione formale di una specie, caratterizzare una reazione accoppiata e altro ancora.
Bipotentiostati	Più grandi e più costosi dei normali potenziostati da laboratorio, i bipotentiostati hanno due canali. Questo non è richiesto per la maggior parte dei metodi elettrochimici.	Esperimenti che coinvolgono il flusso idrodinamico come la voltammetria idrodinamica. Tipicamente utilizzato con un elettrodo rotante anello-disco (RRDE).
Polypotentiostats	Polypotentiostat può riferirsi a qualsiasi potenziostato che ha tre o più canali. I polipotentiostati hanno generalmente un prezzo elevato e non sono richiesti per la stragrande maggioranza degli esperimenti.	Come sopra. Ogni canale può anche essere eseguito in modo indipendente con celle separate in modo che più esperimenti possano essere eseguiti contemporaneamente.

In generale, il termine ‘potenziostato’ è usato per riferirsi a un dispositivo desktop a canale singolo come si può trovare in qualsiasi tipico laboratorio di elettrochimica.

Potenziostati vs. galvanostati

Potenziostati sono spesso discussi insieme a dispositivi elettrochimici simili come galvanostati (noto anche come amperostati). I galvanostati operano su principi simili ai potenziostati ma mantengono una corrente costante attraverso la cella piuttosto che un potenziale costante. L’applicazione più comune per galvanostati è come caricabatterie.

Disegno di circuito potenziostato

Uno schema di circuito potenziostato semplificato è mostrato in figura 1. Si compone di diverse sezioni chiave, ognuna delle quali è dettagliata di seguito: un generatore di segnale, amplificatore di feedback, amplificatore di controllo, amplificatore di corrente e un convertitore di segnale.

Generatore di segnale

Il generatore di segnale determina la risoluzione della tensione applicata del potenziostato. Emette tensioni variabili DC (corrente continua) tramite un convertitore digitale-analogico (DAC), che converte un segnale generato dal computer in una tensione. Ciò consente all’utente di controllare con precisione la tensione di uscita del potenziostato tramite un computer.

Amplificatore di feedback

L’amplificatore di feedback di tensione è forse la parte più importante del circuito potenziostato. Misura la tensione tra il riferimento di lavoro e l’elettrodo di riferimento, passandolo al convertitore di segnale da inviare al computer. Tuttavia, alimenta anche questa tensione al terminale negativo dell’amplificatore di controllo. Ciò consente al potenziostato, tramite l’amplificatore di controllo, di mantenere stabile la tensione impostata rispetto all’elettrodo di riferimento.

È importante che l’amplificatore di feedback non sovraccarichi la tensione dell’elettrodo e disturbi la reazione elettrochimica, quindi viene utilizzata un’alta impedenza di ingresso con corrente di ingresso molto bassa (pA). L’amplificatore di feedback deve anche essere abbastanza veloce da consentire al potenziostato di tenere il passo con i rapidi cambiamenti che possono verificarsi nelle reazioni elettrochimiche e fornire la tensione di feedback all’amplificatore di uscita.

Amplificatore di controllo

L’amplificatore di controllo prende la tensione di uscita del generatore di segnale e il feedback amplificatore e uscite la tensione che sarà passato tra il lavoro e contatore elettrodi. È qui che il potenziostato rappresenta qualsiasi perdita di tensione dovuta a reazioni elettrochimiche che avvengono nella cella. Utilizzando l’uscita dell’amplificatore di feedback come ingresso dell’amplificatore di controllo, il segnale viene aumentato o diminuito, consentendo al dispositivo di mantenere stabile la tensione tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento.

Le specifiche dell’amplificatore di controllo determineranno la massima tensione e corrente che il sistema potenziostato può produrre.

Amplificatore di corrente e gamme di corrente

Questa sezione del circuito è per misurare la corrente che passa attraverso l’elettrodo di lavoro e contro elettrodo. Consiste in un singolo resistore o un insieme di resistori (gli intervalli di corrente) e un amplificatore. Ogni resistore corrisponde a un diverso intervallo di corrente e può essere attivato o disattivato per selezionare l’intervallo di corrente desiderato. Pertanto, il numero e le resistenze di questi resistori determineranno le correnti che possono essere misurate da un potenziostato.

Quando la corrente passa attraverso un resistore genera una tensione. La tensione viene aumentata dall’amplificatore in base all’intervallo di corrente selezionato e passata nel convertitore di segnale dove viene convertita in una misura di corrente.

Convertitore di segnale

Il convertitore di segnale utilizza un convertitore analogico-digitale (ADC) per convertire l’uscita dell’amplificatore di feedback di tensione e dell’amplificatore di corrente in un segnale digitale che può essere interpretato da un computer collegato al potenziostato.

Set-Up delle celle elettrochimiche

I potenziostati possono essere utilizzati per controllare due, tre o quattro configurazioni di elettrodi (e come discusso sopra, bipotentiostati multicanale o polipotentiostati possono controllare i sistemi di elettrodi ad anello rotante).

Il set-up a tre elettrodi è di gran lunga il più comune e consiste in un elettrodo di lavoro, un elettrodo contatore e un elettrodo di riferimento. Ognuna di queste tre funzioni esiste anche in una cella a due elettrodi, solo una singola interfaccia fornisce un potenziale di riferimento e consente alla corrente di fluire attraverso la cella. Il problema principale con un tale set-up è che rende impossibile controllare con precisione il potenziale all’elettrodo di lavoro.

Elettrodo di lavoro

L’elettrodo di lavoro è l’elettrodo primario in un sistema elettrochimico. È dove la tensione applicata entra nel sistema e dove avvengono la maggior parte delle reazioni elettrochimiche e del trasferimento di elettroni.

Le misurazioni di potenziale e corrente in un sistema elettrochimico coinvolgono l’elettrodo di lavoro per sistemi a due e tre elettrodi. Nei sistemi a due elettrodi il potenziale e la corrente sono misurati tra gli elettrodi di lavoro e di contatore. Nei sistemi a tre elettrodi, un potenziostato misura il potenziale tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento, mentre la corrente viene misurata tra gli elettrodi di lavoro e contro.

Il platino è il materiale più comune utilizzato per gli elettrodi di lavoro a causa della sua stabilità elettrochimica e facilità di fabbricazione. Altri materiali comunemente usati includono oro, carbonio e mercurio.

Elettrodo di riferimento

Avendo un potenziale elettrochimico stabile, noto e ben definito, gli elettrodi di riferimento forniscono una costante per una misurazione elettrochimica.

Sono utilizzati in un sistema a tre elettrodi per mantenere un potenziale stabile contro il quale il potenziostato misura e controlla gli elettrodi di lavoro e di contatore. Ciò è ottenuto utilizzando materiali con potenziali elettrochimici ben definiti, tipicamente separati chimicamente dalle reazioni che si verificano durante la misurazione. Quando viene tracciato un voltammogramma di tale sistema, il potenziale è quello che viene misurato tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento.

In un sistema elettrochimico ideale, la corrente zero fluirà attraverso l’elettrodo di riferimento, consentendo misurazioni accurate e il controllo del potenziale sull’elettrodo di lavoro. Ciò è ottenuto dall’elettrodo di riferimento con un’impedenza molto bassa, idealmente zero.

Contro elettrodo

I contro elettrodi, noti anche come elettrodi ausiliari, completano il circuito di un sistema a due o tre elettrodi. Come per l’elettrodo di lavoro, il platino è il materiale più comune utilizzato per gli elettrodi da banco grazie alla sua stabilità elettrochimica e meccanica e all’elevata conduttività elettrica.

Nei sistemi a due elettrodi, il contatore elettrodo viene utilizzato anche come elettrodo di riferimento. Ciò richiede che abbia una superficie molto maggiore rispetto all’elettrodo di lavoro per garantire che la cinetica di reazione all’elettrodo di lavoro non sia inibita da quelli al contatore elettrodo.

Nei sistemi a tre elettrodi, la corrente viene misurata tra gli elettrodi di lavoro e i contatori. Il potenziale non viene misurato qui, ma viene regolato dal potenziostato per bilanciare le reazioni elettrochimiche che si verificano. Invece, il potenziale viene misurato tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento, idealmente con corrente zero passata tra il contatore e gli elettrodi di riferimento.

A volte il contatore elettrodo viene separato dall’elettrodo di lavoro in modo simile all’elettrodo di riferimento per ridurre l’influenza delle reazioni che avvengono al contatore elettrodo su quelli presso l’elettrodo di lavoro.

Potentiostat Specifications Explained

Accuracy, precision, and resolution

Prima di poter discutere i significati delle varie specifiche del potentiostat, dobbiamo prima chiarire tre proprietà che sono spesso fraintese: precisione, precisione e risoluzione.

La precisione è la vicinanza di un valore misurato al valore reale. Questo è rappresentato come un offset assoluto, una percentuale del valore misurato o una combinazione dei due.

La precisione è la ripetibilità di una misura, cioè, come vicino insieme le misurazioni ripetute dello stesso punto saranno. In genere, questo è rappresentato come un valore assoluto.

La risoluzione è il più piccolo cambiamento in un valore che può essere percepito da una misurazione. In genere, questo è rappresentato come un valore assoluto.

Un’analogia utile per aiutare a chiarire le differenze di queste tre proprietà è pensare a un bersaglio come sarebbe usato nel tiro con l’arco e come si applicherebbe ciascuna di queste proprietà, come mostrato in figura 2.

Come possiamo vedere, la precisione determina quanto sono vicine al centro del bersaglio le frecce (o, nel caso di una misurazione, i punti dati), mentre la precisione determina il raggruppamento. I quattro possibili risultati della figura sono riportati di seguito:

1. Alta precisione, alta precisione – le frecce sono strettamente raggruppate attorno al centro del bersaglio.
2. Alta precisione, bassa precisione – le frecce sono scarsamente raggruppate attorno al centro del bersaglio.
3. Bassa precisione, alta precisione – le frecce sono strettamente raggruppate lontano dal centro del bersaglio.
4. Bassa precisione, bassa precisione – le frecce sono scarsamente raggruppate lontano dal centro del bersaglio.

Come fa il fattore di risoluzione in questo? Utilizzando la stessa analogia di un bersaglio, la risoluzione sarebbe la larghezza di ogni anello, con risoluzioni più basse aventi anelli più spessi e risoluzioni più alte aventi anelli più sottili, come mostrato in figura 3.

Intervallo di potenziale

L’intervallo di potenziale è la finestra di potenziale che può essere applicata e misurata da un potenziostato tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento. Questo in genere si applica sia per il potenziale positivo che negativo, e in tal caso è rappresentato con un simbolo più/meno.

Conformità potenziale

La conformità potenziale è il limite massimo per il potenziale che un potenziostato è in grado di emettere tra l’elettrodo di lavoro e il contatore. Come per l’intervallo potenziale, si applica sia per potenziali positivi che negativi e come tale è rappresentato con un simbolo più/meno.

Le reazioni elettrochimiche che si verificano durante una misurazione spesso provocano una diminuzione del potenziale dell’elettrodo di riferimento. Ciò significa che un maggiore potenziale di uscita deve essere applicato alla cella per ottenere il potenziale desiderato.

È importante notare la distinzione tra l’intervallo potenziale e la potenziale conformità. L’intervallo di potenziale è il potenziale applicato e misurato tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento, mentre la conformità potenziale è il potenziale massimo assoluto che può essere applicato tra gli elettrodi di lavoro e di contatore.

Precisione del potenziale applicato

La precisione del potenziale applicato è la quantità massima che il potenziale di uscita di un potenziostato può variare dal potenziale impostato. In particolare, questo si riferisce al potenziale tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento. È rappresentato come un offset più / meno.

Risoluzione del potenziale applicato

Poiché un potenziostato utilizza segnali digitali per determinare il potenziale di uscita, qualsiasi cambiamento nel potenziale apparirà come un passo e un profilo di scansione una serie di passaggi nel tempo, come mostrato in figura 4. La risoluzione del potenziale applicato determina quanto piccoli possono essere questi passaggi, in quanto è il più piccolo cambiamento di potenziale che può essere emesso da un potenziostato.

Corrente massima

La corrente massima è la più alta corrente elettrica che può essere misurata da un potenziostato. Si applica sia per le correnti positive che negative e come tale è rappresentato con un simbolo più/meno. Se una corrente misurata è al di fuori di questo intervallo, un potenziostato spegnerà il potenziale di uscita per evitare di danneggiare l’unità.

Intervalli di corrente

Per ottenere un livello costante di precisione e precisione per le misurazioni di corrente sia a milliampere che a nanoampere, le misurazioni di corrente sono suddivise in un insieme di intervalli. Questi intervalli sono in genere separati da un ordine di grandezza, e mentre un intervallo di solito può misurare le correnti comprese dall’intervallo sottostante, l’accuratezza e la precisione della misurazione saranno peggiori.

La misurazione della corrente funziona misurando la tensione attraverso un resistore noto quando la corrente lo attraversa. Pertanto, per misurare la corrente a diversi ordini di grandezza vengono utilizzate una serie di resistori, con correnti inferiori passate attraverso resistori a resistenza più elevata.

L’accuratezza, la precisione, il rumore e la risoluzione di ciascun intervallo seguono tipicamente le stesse differenze di ordine di grandezza delle correnti, poiché queste sono maggiormente influenzate dalla misurazione della tensione, piuttosto che dai resistori utilizzati.

Precisione di misura corrente

La precisione di misura corrente è l’importo massimo che un valore corrente misurato può variare dal valore corrente effettivo. È importante notare che la maggior parte delle misurazioni varierà di meno di questa quantità. Questo valore scala con l’ordine di grandezza degli intervalli correnti.

Risoluzione di misura corrente

La risoluzione di misura corrente è il più piccolo cambiamento di corrente che può essere misurata da un potenziostato. Questo valore scala con l’ordine di grandezza degli intervalli correnti.

Specifiche Ossila Potentiostat

Specifiche potenziali

Gamma potenziale

±7.5 V

Potenziale di conformità

±10 V

Applicato potenziale precisione

±10 mV offset

Applicato potenziale risoluzione

333 µV

specifiche

Corrente Massima	Precisione	Risoluzione
± 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

Altre specifiche

Comunicazione

USB-B

Dimensioni di ingombro

Larghezza: 125 mm Altezza: 55 mm Profondità: 175 mm

Peso

600 g