een potentiostaat is een spanningsbron die zijn uitgangspotentieel kan variëren als reactie op veranderingen in de weerstand over een circuit. In elektrochemische experimenten zijn potentiostaten in staat om meer of minder stroom te leveren, zodat het potentieel in een elektrochemisch actieve cel constant blijft volgens de wet van Ohm.

elektrochemische technieken zoals cyclische voltammetrie, lineaire sweep voltammetrie en andere typen voltammetrie vereisen een potentiostaat om redoxgebeurtenissen in een oplossing te meten.

een typische experimentele opstelling bestaat uit een potentiostaat die met een werkelektrode, contraelektrode en referentieelektrode met een driedelektrode is verbonden. Potentiostaten regelen de potentiaal tussen de werk-en referentieelektroden en meten de stroom tussen de werk-en tegenelektroden.

analyse van de met een potentiostaat geregistreerde gegevens brengt verschillende intrinsieke elektrochemische eigenschappen van het materiaal aan het licht, afhankelijk van de gebruikte methode. Met behulp van technieken zoals cyclische voltammetrie, kunnen potentiostaten worden gebruikt om het redoxpotentieel van materialen te vinden, de reversibiliteit van een reactie te bepalen, een kwantitatieve beschrijving van elektrochemische reversibiliteit te verstrekken, en de energieniveaus van halfgeleiderpolymeren te bepalen.

soorten Potentiostaat

Potentiostaat specificaties en kenmerken variëren afhankelijk van de beoogde toepassing.

Potentiostaat Type	specifieke kenmerken	toepassingen
Draagbare potentiostaten	klein, op batterijen, geschikt voor beperkte functies, maar snel resultaat. Kan voorzien zijn van een ingebouwd display of vereisen het gebruik van een smartphone.	veldwerk, omgevingsmetingen zoals testen op lood in drinkwater of medische tests zoals het meten van de hoeveelheid ijzer in bloed.
laboratorium potentiostaten	geschikt voor gebruik in het laboratorium, krachtiger dan draagbare eenheden en produceren gegevens die veel dieper kunnen worden geanalyseerd. Vaak geleverd met software die is ontworpen om het sneller en gemakkelijker te maken om specifieke elektrochemische experimenten uit te voeren.	Voltammetrische technieken zoals cyclische voltammetrie en lineaire sweep voltammetrie, die kunnen worden gebruikt om de elektronenoverdrachtkinetiek te meten, de omkeerbaarheid van een reactie te bepalen, het formele reductiepotentieel van een soort te bepalen, een gekoppelde reactie te karakteriseren en meer.
Bipotentiostaten	groter en duurder dan normale laboratorium potentiostaten, bipotentiostaten hebben twee kanalen. Dit is niet vereist voor de meeste elektrochemische methoden.	experimenten met hydrodynamische stroming, zoals hydrodynamische voltammetrie. Meestal gebruikt met een roterende ring-schijf elektrode (RRDE).
Polypotentiostaten	Polypotentiostaten kunnen verwijzen naar elke potentiostaat met drie of meer kanalen. Polypotentiostaten hebben over het algemeen een groot prijskaartje en zijn niet nodig voor de overgrote meerderheid van de experimenten.	zoals hierboven vermeld. Elk kanaal kan ook meestal onafhankelijk worden uitgevoerd met afzonderlijke cellen, zodat meerdere experimenten gelijktijdig kunnen worden uitgevoerd.

in het algemeen wordt de term ‘potentiostaat’ gebruikt om te verwijzen naar een enkel kanaal desktop-apparaat zoals kan worden gevonden in een typische elektrochemie lab.

Potentiostaten vs. galvanostaten

Potentiostaten worden vaak besproken naast soortgelijke elektrochemische apparaten zoals galvanostaten (ook bekend als amperostaten). De galvanostaten werken op gelijkaardige principes aan potentiostats maar handhaven een constante stroom over de cel eerder dan een constant potentieel. De meest voorkomende toepassing voor galvanostaten is als Batterijladers.

ontwerp van de Potentiostaatkring

een vereenvoudigd schema van de potentiostaatkring is weergegeven in figuur 1. Het bestaat uit verschillende belangrijke secties, die elk hieronder wordt beschreven: een signaalgenerator, feedbackversterker, regelversterker, stroomversterker en een signaalomvormer.

signaalgenerator

de signaalgenerator bepaalt de toegepaste spanningsresolutie van de potentiostaat. Hij voert variabele gelijkstroom (gelijkstroom) spanningen uit via een digitaal-naar-analoog omzetter (DAC), die een door de computer gegenereerd signaal omzet in een spanning. Hierdoor kan de gebruiker de uitgangsspanning van de potentiostaat nauwkeurig regelen via een computer.

Feedbackversterker

de spanningsterugkoppelversterker is misschien wel het belangrijkste onderdeel van het potentiostatcircuit. Het meet de spanning tussen de werkreferentie en de referentie-elektrode en geeft deze door aan de signaalomvormer die naar de computer moet worden verzonden. Echter, het voedt ook deze spanning aan de negatieve terminal van de regelversterker. Hierdoor kan de potentiostaat, via de regelversterker, de ingestelde spanning stabiel houden ten opzichte van de referentieelektrode.

het is belangrijk dat de feedbackversterker de elektrodespanning niet overbelast en de elektrochemische reactie niet verstoort, zodat een hoge ingangsimpedantie met zeer lage ingangsstroom (pA) wordt gebruikt. De feedbackversterker moet ook snel genoeg zijn om de potentiostaat in staat te stellen gelijke tred te houden met de snelle veranderingen die kunnen optreden in elektrochemische reacties en de feedbackspanning te leveren aan de uitgangsversterker.

Regelversterker

de regelversterker neemt de uitgangsspanning van de signaalgenerator en de feedbackversterker en voert de spanning uit die tussen de werk-en tegenelektroden wordt doorgegeven. Dit is waar de potentiostaat voor om het even welk verlies van voltage toe te schrijven aan elektrochemische reacties die in de cel plaatsvinden verklaart. Door de uitgang van de feedbackversterker als ingang van de regelversterker te gebruiken, wordt het signaal verhoogd of verlaagd, waardoor het apparaat de spanning tussen de werk-en referentieelektroden stabiel kan houden.

de specificaties van de regelversterker bepalen de maximale spanning en stroom die het potentiostatsysteem kan leveren.

stroomversterker en stroombereiken

dit gedeelte van het circuit is bestemd voor het meten van de stroom door de werkelektrode en de contraelektrode. Het bestaat uit een enkele weerstand of een reeks weerstanden (het huidige bereik) en een versterker. Elke weerstand komt overeen met een ander stroombereik en kan in-of uitgeschakeld worden om het gewenste stroombereik te selecteren. Daarom zal het aantal en de weerstanden van deze weerstanden bepalen welke stromen kunnen worden gemeten door een potentiostaat.

wanneer de stroom door een weerstand gaat, genereert deze een spanning. De spanning wordt verhoogd door de versterker volgens het geselecteerde stroombereik en doorgegeven aan de signaalomvormer waar deze wordt omgezet in een stroommeting.

signaalomvormer

de signaalomvormer maakt gebruik van een analoog-digitaalomvormer (ADC) om de uitgang van de spanningsterugkoppelversterker en de stroomversterker om te zetten in een digitaal signaal dat kan worden geïnterpreteerd door een computer die is aangesloten op de potentiostaat.

elektrochemische Celopstelling

Potentiostaten kunnen worden gebruikt om twee, drie of vier elektrodeconfiguraties te regelen (en zoals hierboven besproken kunnen meerkanaals bipotentiostaten of polypotentiostaten roterende ringschijfelektrodesystemen regelen).

de drie elektrodeopstelling is veruit de meest voorkomende en bestaat uit een werkelektrode, een tegenelektrode en een referentieelektrode. Elk van deze drie functies bestaat ook in een elektrodecel twee, slechts verstrekt één enkele interface zowel een verwijzingspotentieel als staat stroom toe om over de cel te stromen. Het primaire probleem met zo ‘ n opstelling is dat het onmogelijk is om het potentieel van de werkende elektrode nauwkeurig te controleren.

Werkelektrode

de werkelektrode is de primaire elektrode in een elektrochemisch systeem. Het is waar de toegepaste spanning het systeem binnenkomt, en waar de meeste elektrochemische reacties en elektronenoverdracht plaatsvinden.

metingen van potentiaal en stroom in een elektrochemisch systeem hebben betrekking op de werkelektrode voor zowel twee-als drieelektrodesystemen. In twee-elektrode systemen worden de potentiaal en stroom gemeten tussen de werk-en tegenelektroden. In drie-elektrode systemen meet een potentiostaat de potentiaal tussen de werk-en referentieelektroden, terwijl de stroom wordt gemeten tussen de werk-en tegenelektroden.

platina is het meest gebruikte materiaal voor het bewerken van elektroden vanwege de elektrochemische stabiliteit en het gemak van fabricage. Andere veelgebruikte materialen zijn goud, koolstof en kwik.

Referentieelektrode

door een stabiel, bekend en duidelijk gedefinieerd elektrochemisch potentieel, vormen referentieelektroden een constante voor een elektrochemische meting.

zij worden gebruikt in een drieelektrodesysteem om een stabiele potentiaal te handhaven waartegen de potentiostaat de werk-en tegenelektroden meet en bestuurt. Dit wordt bereikt gebruikend materialen met goed-gedefinieerde elektrochemische potentialen, typisch chemisch gescheiden van de reacties die tijdens de meting voorkomen. Wanneer een voltammogram van een dergelijk systeem wordt uitgezet, is de potentiaal die wordt gemeten tussen de werk-en referentieelektroden.

in een ideaal elektrochemisch systeem zal nulstroom door de referentieelektrode stromen, waardoor nauwkeurige metingen en regeling van de potentiaal aan de werkelektrode mogelijk zijn. Dit wordt bereikt door de referentieelektrode met een zeer lage impedantie, idealiter nul.

Contraelektrode

Contraelektroden, ook wel hulpelektroden genoemd, maken het circuit van een twee-of drieelektrodesysteem compleet. Net als bij de werkelektrode is platina het meest gebruikte materiaal voor tegenelektroden vanwege de elektrochemische en mechanische stabiliteit en hoge elektrische geleidbaarheid.

in tweeelektrodesystemen wordt de teller-elektrode ook gebruikt als referentie-elektrode. Dit vereist het om een veel groter oppervlak dan de werkende elektrode te hebben om ervoor te zorgen dat de reactiekinetiek bij de werkende elektrode niet door die bij de tegenelektrode wordt geremd.

In drieelektrodesystemen wordt de stroom gemeten tussen de werk-en tegenelektroden. De potentiaal wordt hier niet gemeten, maar wordt aangepast door de potentiostaat om de elektrochemische reacties te balanceren. In plaats daarvan wordt het potentieel gemeten tussen de werk-en referentieelektroden, idealiter met nulstroom die tussen de teller en referentieelektroden wordt overgegaan.

soms wordt de teller-elektrode op dezelfde wijze als de referentie-elektrode van de werkelektrode gescheiden om de invloed van reacties die aan de teller-elektrode plaatsvinden op die aan de werkelektrode te verminderen.

Potentiostaat SPECIFICATIES uitgelegd

nauwkeurigheid, precisie en resolutie

voordat we de Betekenis van de verschillende specificaties van de potentiostaat kunnen bespreken, moeten we eerst drie eigenschappen verduidelijken die vaak verkeerd worden begrepen: nauwkeurigheid, precisie en resolutie.

nauwkeurigheid is hoe dicht een gemeten waarde bij de werkelijke waarde ligt. Dit wordt weergegeven als een absolute offset, een percentage van de gemeten waarde, of een combinatie van de twee.

precisie is de herhaalbaarheid van een meting, d.w.z., hoe dicht bij elkaar herhaalde metingen van hetzelfde punt zal zijn. Meestal wordt dit weergegeven als een absolute waarde.

resolutie is de kleinste verandering in een waarde die door een meting kan worden waargenomen. Meestal wordt dit weergegeven als een absolute waarde.

een nuttige analogie om de verschillen tussen deze drie eigenschappen te verduidelijken is om te denken aan een doel zoals zou worden gebruikt in boogschieten, en hoe elk van deze eigenschappen van toepassing zou zijn, zoals weergegeven in Figuur 2.

zoals we kunnen zien, bepaalt de nauwkeurigheid hoe dicht bij het centrum van het doel de pijlen (of in het geval van een meting, de gegevenspunten) zijn, terwijl de precisie de groepering bepaalt. De vier mogelijke uitkomsten van het cijfer worden hieronder gegeven:

1. hoge nauwkeurigheid, hoge precisie-pijlen zijn strak gegroepeerd rond het midden van het doel.
2. hoge nauwkeurigheid, lage precisie – pijlen zijn dun gegroepeerd rond het midden van het doel.
3. lage nauwkeurigheid, hoge precisie-pijlen zijn dicht gegroepeerd weg van het midden van het doel.
4. lage nauwkeurigheid, lage precisie-pijlen zijn dun gegroepeerd weg van het midden van het doel.

hoe past resolutie hierin? Met dezelfde analogie van een doel zou de resolutie de breedte van elke ring zijn, met lagere resoluties met dikkere ringen en hogere resoluties met dunnere ringen, zoals weergegeven in figuur 3.

Potentiaalbereik

het potentiaalbereik is het potentiaalvenster dat kan worden toegepast en gemeten met een potentiostaat tussen de werk-en referentieelektroden. Dit geldt meestal voor zowel positieve als negatieve potentiaal, en in een dergelijk geval wordt weergegeven met een plus/min symbool.

potentiële overeenstemming

de potentiële overeenstemming is de maximumgrens voor de potentiaal die een potentiostaat in staat is uit te voeren tussen de werk-en tegenelektroden. Net als bij het potentiaalbereik geldt het voor zowel positieve als negatieve potentialen en als zodanig wordt het weergegeven met een plus/min symbool.

elektrochemische reacties die tijdens een meting optreden, resulteren vaak in een verminderde potentiaal bij de referentieelektrode. Dit betekent dat een groter outputpotentieel op de cel moet worden toegepast om het gewenste potentieel te bereiken.

het is belangrijk op te merken dat er een onderscheid wordt gemaakt tussen het potentiële bereik en de potentiële naleving. Potentiaalbereik is het toegepaste en gemeten potentiaalbereik tussen de werk-en referentieelektroden, terwijl de potentiaalcompliantie het absolute maximale potentiaalbereik is dat kan worden toegepast tussen de werk-en contraelektroden.

Toegepaste potentiaalnauwkeurigheid

de toegepaste potentiaalnauwkeurigheid is de maximale hoeveelheid die het uitgangspotentieel van een potentiostaat kan variëren van het ingestelde potentiaal. Specifiek verwijst dit naar het potentieel tussen de werk-en referentieelektroden. Het wordt weergegeven als een Plus/min offset.

Toegepaste potentiaalresolutie

aangezien een potentiostaat digitale signalen gebruikt om de potentiaalwaarde te bepalen, zal elke verandering in potentiaalwaarde verschijnen als een stap, en een scanprofiel een reeks stappen in de tijd, zoals weergegeven in Figuur 4. De toegepaste potentiaalresolutie bepaalt hoe klein deze stappen kunnen zijn, aangezien het de kleinste verandering in potentiaal is die door een potentiostaat kan worden uitgevoerd.

maximale stroom

de maximale stroom is de hoogste elektrische stroom die met een potentiostaat kan worden gemeten. Het geldt voor zowel positieve als negatieve stromen en als zodanig wordt weergegeven met een plus/min symbool. Als een gemeten stroom buiten dit bereik ligt, zal een potentiostaat het uitgangspotentieel uitschakelen om beschadiging van de eenheid te voorkomen.

stroombereiken

om een consistent niveau van nauwkeurigheid en precisie te bereiken voor stroommetingen bij zowel milliampers als nanoamps, worden stroommetingen opgesplitst in een reeks bereiken. Deze bereiken worden meestal gescheiden door een orde van grootte, en terwijl een bereik meestal de stromen kan meten die door het bereik eronder wordt omgeven, zal de nauwkeurigheid en precisie van de meting slechter zijn.

meting van stroom door het meten van de spanning over een bekende weerstand wanneer de stroom er doorheen gaat. Om de stroom in verschillende grootteordes te meten wordt daarom een reeks weerstanden gebruikt, waarbij lagere stromen door hogere weerstanden worden doorgegeven.

de nauwkeurigheid, precisie, ruis en resolutie van elk bereik volgen doorgaans dezelfde orde van grootte verschillen als de stromen, omdat deze het meest worden beïnvloed door de meting van de spanning, in plaats van de gebruikte weerstanden.

huidige meetnauwkeurigheid

de huidige meetnauwkeurigheid is de maximale hoeveelheid die een gemeten stroomwaarde kan afwijken van de werkelijke stroomwaarde. Het is belangrijk op te merken dat de meeste metingen minder zullen variëren dan deze hoeveelheid. Deze waarde schaalt met de Orde van grootte van de huidige bereiken.

resolutie van de stroommeting

de resolutie van de stroommeting is de kleinste verandering in de stroom die met een potentiostaat kan worden gemeten. Deze waarde schaalt met de Orde van grootte van de huidige bereiken.

Ossila Potentiostaat SPECIFICATIES

potentiaalspecificaties

Potentiaalbereik

±7.5 V

Potentiële naleving

±10 V

Toegepast mogelijke nauwkeurigheid

±10 mV offset

Toegepast mogelijke resolutie

333 µV

Huidige specificaties

de Maximale stroomsterkte	Nauwkeurigheid	Resolutie
± 150 mA	± 200 µA	50 µA
± 20 mA	± 20 µA	5 µA
± 2 mA	± 2 µA	500 nA
± 200 µA	± 200 nA	50 nvt
± 20 µA	± 20 nvt	5 nvt

Andere specificaties

Communicatie

USB-B

Afmetingen

Breedte: 125 mm Hoogte: 55 mm Diepte: 175 mm

Gewicht

600 g