Was ist ein Potentiostat?
Ein Potentiostat ist ein Gerät zur Steuerung von Potenzial und Strom sowie zur Messung des Potenzials.
In einem Dreielektrodensystem mit einer Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode in einem Elektrolyten steuert er die Spannung zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode und misst den Strom, der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode fließt. Er wird bei elektrochemischen Messungen eingesetzt und wird häufig zusammen mit Galvanostaten und Funktionsgeneratoren verwendet.
Galvanostate steuern den durch die Elektrode fließenden Strom präzise und regeln willkürlich die elektrochemische Rate, während Potentiostate das Potenzial der Elektrode steuern und den Strom messen, der zu diesem Zeitpunkt durch die Elektrode fließt. Viele Modelle sind im Handel erhältlich, die in einem einzigen Gerät zwischen Galvanostat/Potentiostat umschalten können. Potentiostaten werden zur Messung des durch eine Elektrode fließenden Stroms verwendet.
Anwendungen von Potentiostaten
Potentiostaten werden hauptsächlich für elektrochemische Messungen verwendet. In der Praxis werden Potentiostaten selten allein, sondern meist in Kombination mit Galvanostaten und Funktionsgeneratoren verwendet.
Potentiostaten allein können nur eine konstante Spannung steuern, aber in Kombination mit diesen Geräten können sie Spannungs-Sweep-Operationen und Impulsausgänge durchführen, und ihre Reaktionen können gemessen werden, um ein tieferes Verständnis der elektrochemischen Eigenschaften des Objekts zu gewinnen.
Funktionsweise des Potentiostaten
Der Schlüssel zum Prinzip des Potentiostaten liegt in der negativen Rückkopplungssteuerung mit Hilfe eines Operationsverstärkers.
Der Operationsverstärker zeichnet sich durch die folgenden zwei Punkte aus:
- Sehr hohe interne Impedanz
- Die Spannungen an den positiven und negativen Eingangsklemmen können als gleichwertig betrachtet werden (VIN1=VIN2)
Die folgenden Hauptfunktionen des Potentiostaten werden durch eine Schaltung mit einem Operationsverstärker erreicht:
- Verhinderung des Stromflusses zum Referenzpol
- Kontrolle des Potenzials der Arbeitselektrode in Bezug auf die Referenzelektrode
- Messung des Stroms, der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode fließt
Die hohe interne Impedanz verhindert, dass Ströme zum Referenzpol fließen, und die Spannung am positiven und negativen Ende ist gleich, so dass die eingestellte Spannung als Spannung am Referenzpol verwendet werden kann, wie sie ist.
Der Operationsverstärker gibt eine dem fließenden Strom entsprechende Spannung aus, so dass der Strom gemessen werden kann.
Weitere Informationen zu Potentiostaten
1. Elektrochemische Messung
Die elektrochemische Messung ist eine Messtechnik, bei der ein elektrisches Signal von einer Stromquelle oder einem anderen Schaltkreis an eine bestimmte Probe angelegt wird, um eine chemische Reaktion auszulösen, und das Antwortsignal zur Bewertung der im Inneren stattfindenden chemischen Reaktion verwendet wird.
Ein gängiges Beispiel ist die Elektrolyse von Wasser. Indem man Elektroden, die an einen Potentiostaten angeschlossen sind, in Wasser einführt und elektrische Energie aus einem externen Stromkreis zuführt, kann die Zersetzungsreaktion des Wassers an der Arbeitselektrode gefördert oder umgekehrt werden. Dies kann z. B. bei der Entwicklung von Katalysatoren zur Beschleunigung der Wasserelektrolyse genutzt werden.
Bei Voltammogrammmessungen wird das kontrollierte Elektrodenpotential mit Hilfe eines PCs von einem digitalen in ein analoges Signal umgewandelt, und der von einem Potentiostaten gemessene Elektrolytstrom wird digitalisiert und vom Computer abgelesen. Auf diese Weise lässt sich feststellen, wie viel Strom im Verhältnis zur Spannungsänderung geflossen ist.
Anhand des Voltammogramms lässt sich feststellen, welche Art von Oxidations-/Reduktionsreaktion an der Arbeitselektrode bei jedem Potential stattfindet.
2. Gründe für die Anwendung eines Dreielektrodensystems
Bei elektrochemischen Messungen ist es notwendig, das Potenzial der an den Elektroden ablaufenden Reaktionen genau zu bestimmen. Bei einem Zwei-Elektroden-System werden sowohl die Arbeitselektrode als auch die Gegenelektrode von einem Strom durchflossen, was eine genaue Messung des Potenzials aufgrund eines Phänomens namens Polarisation unmöglich macht. Unter Polarisation versteht man eine Verschiebung des Elektrodenpotenzials aufgrund des Stromflusses im Stromkreis.
Daher wird eine Referenzelektrode als dritte Elektrode hinzugefügt, um ein Dreielektrodensystem zu bilden, das aus einer Aktionselektrode/Gegenelektrode/Referenzelektrode besteht. Durch die Referenzelektrode fließt kein Strom, und es wird die Potenzialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode gemessen, wodurch das Potenzial der Arbeitselektrode genau bestimmt werden kann.