Potenciostato

Un potenciostato es el hardware electrónico necesario para controlar una celda de tres electrodos y ejecutar la mayoría de los experimentos electroanalíticos. Un Bipotentiostato y un polipotenciostato son potenciostatos capaces de controlar dos electrodos de trabajo y más de dos electrodos de trabajo, respectivamente.

El sistema funciona manteniendo el potencial del electrodo de trabajo a un nivel constante con respecto al electrodo de referencia ajustando la corriente en un electrodo auxiliar. El corazón de los diferentes circuitos electrónicos potenciostáticos es un amplificador operacional (op amp). Consiste en un circuito eléctrico que generalmente se describe en términos de amplificadores operacionales simples.

Uso principal

Este equipo es fundamental para los estudios electroquímicos modernos que utilizan sistemas de tres electrodos para investigaciones de mecanismos de reacción relacionados con la química redox y otros fenómenos químicos. Las dimensiones de los datos resultantes dependen del experimento. En voltametría, la corriente eléctrica en amperios se compara con el potencial eléctrico en voltaje. En una electrólisis masiva, el total de culombios pasados (carga eléctrica total) se representa frente al tiempo en segundos, aunque el experimento mide la corriente eléctrica (amperios) a lo largo del tiempo. Esto se hace para mostrar que el experimento se acerca al número esperado de culombios.

La mayoría de los primeros potenciostatos podían funcionar de forma independiente, proporcionando salida de datos a través de un seguimiento de datos físico. Los potenciostatos modernos están diseñados para interactuar con una computadora personal y operar a través de un paquete de software dedicado. El software automatizado permite al usuario cambiar rápidamente entre experimentos y condiciones experimentales. La computadora permite almacenar y analizar datos de manera más efectiva, rápida y precisa que los dispositivos independientes anteriores.

Relaciones básicas

Un potenciostato es un dispositivo de control y medición. Consta de un circuito eléctrico que controla el potencial a través de la celda detectando cambios en su resistencia, variando en consecuencia la corriente suministrada al sistema: una resistencia más alta dará como resultado una corriente menor, mientras que una resistencia más baja dará como resultado un aumento de la corriente, en para mantener el voltaje constante como lo describe la ley de Ohm.

R=EI{displaystyle {R}={E over I}

Como resultado, la resistencia variable del sistema y la corriente controlada son inversamente proporcionales

Io=EcRv{displaystyle Yo...

• Io{displaystyle I_{o} es la corriente eléctrica de salida de la potentiostat
• Ec{displaystyle E_{c} es el voltaje que se mantiene constante
• Rv{displaystyle R_{v} es la resistencia eléctrica que varía.

Principios de funcionamiento

Desde 1942, cuando el electroquímico inglés Archie Hickling (Universidad de Leicester) construyó los tres primeros electrodo potentiostat, se ha avanzado sustancialmente para mejorar el instrumento. El dispositivo de Hickling utilizó un tercer electrodo, el electrodo de referencia para controlar el potencial celular automáticamente. Hasta el día de hoy su principio ha permanecido en uso. De un vistazo, un potentiostat mide la diferencia potencial entre el electrodo de trabajo y la referencia, aplica la corriente a través del electrodo del contador y mide la corriente como un i{displaystyle i} R{displaystyle R. voltaje sobre un resistor de serie (Rm{displaystyle R_{textrm {m}} en Fig. 1).

El amplificador de control (CA) es responsable de mantener el voltaje entre la referencia y el electrodo de trabajo lo más cerca posible al voltaje de la fuente de entrada Ei{displaystyle E_{textrm {}}. Ajuste su salida para controlar automáticamente la corriente celular de modo que se satisfaga una condición de equilibrio. La teoría de la operación se entiende mejor usando las ecuaciones de abajo.

Antes de observar las siguientes ecuaciones, se puede observar que, desde un punto de vista eléctrico, la célula electroquímica y la resistencia de medición actual Rm{displaystyle R_{textrm {m}} puede considerarse como dos impedancias (Fig. 2). Z1{displaystyle Z_{1} Incluye Rm{displaystyle R_{textrm {m}} en serie con la impedancia interfacial del electrodo del contador y la resistencia de solución entre el contador y la referencia. Z2{displaystyle Z_{2}representa la impedancia interfacial del electrodo de trabajo en serie con la resistencia de solución entre el trabajo y la referencia electrodos.

La función del amplificador de control es amplificar la diferencia de potencial entre la entrada positiva (o no inversora) y la entrada negativa (o inversora). Esto se puede traducir matemáticamente a la siguiente ecuación:

EFuera.=A()E+− − E− − )=A()Ei− − Er){displaystyle E_{textrm {out}=A,(E^{+}-E^{-}= A,(E_{textrm {}-E_{textrm {r}}}. 1)

Donde A{displaystyle A} es el factor de amplificación de la CA. En este momento se puede hacer la suposición de que una cantidad insignificante de corriente está fluyendo a través del electrodo de referencia. Esto correlaciona con el fenómeno físico ya que el electrodo de referencia está conectado a un electrometro de alta impedancia. Así, la corriente celular puede describirse de dos maneras:

Ic=EFuera.Z1+Z2{displaystyle I_{textrm {c}={frac} {E_{fn}} {Z_{1}}}} {fn}} {fn}}}} {fn}}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}}} {fn}}}2)

y

Ic=ErZ2{displaystyle I_{textrm {c}={frac} [E_{textrm] {}} {Z_{2}}} {}}} {}}}} {}}}}} {}}}}} {}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {. 3)

Combinando las ecuaciones. (2) y (3) producen la ecuación. (4):

Er=Z2Z1+Z2EFuera.=β β EFuera.{displaystyle E_{textrm}={frac} {Z_{2} {Z_{1}+Z_{2},E_{textrm {out}=beta ,E_{textrm {out}} 4)

Donde β β {displaystyle beta } es la fracción del voltaje de salida del amplificador de control devuelto a su entrada negativa; es decir, el factor de retroalimentación:

β β =Z2Z1+Z2{displaystyle beta ={frac {Z_{2} {Z_{1}+Z_{2}}} {Z_{2}}} {Z_{1}}}}.

La combinación de Eqs. (1) y (4) produce Eq. (6):

ErEi=β β A1+β β A{displaystyle {frac {fnfnMicrom} {} {fn} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}}} {f}}}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}} {f}}} {f}}}}} {fnfnf}}}}} {f} {f}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}} {f} {\\\\\f}f}\\\f}f}\\\\fn\\fn\\\fn\\fnfnfn\\\fnfn\fnfn\fn\\\\\fn\\fn {i}}={frac {beta}{1+beta,A}}. (6)

Cuando la cantidad β β {displaystyle beta } A{displaystyle A} se vuelve muy grande con respecto a uno, Eq. (6) se reduce a Eq. (7), que es una de las ecuaciones de retroalimentación negativa:

Ei=Er{displaystyle E_{textrm {}=E_{textrm {r}}. (7)

Ec. (7) demuestra que el amplificador de control funciona para mantener el voltaje entre la referencia y el funcionamiento cerca del voltaje de la fuente de entrada.

Control de software

Reemplazando la CA, un algoritmo de control puede mantener un voltaje constante Ec{displaystyle E_{textrm {c}} entre el electrodo de referencia y el electrodo de trabajo. Este algoritmo se basa en la regla de la proporción:

UmEc=UnESP{displaystyle {frac {fnfnfnMicrom} {m}}{E_{textrm {c}}={frac} ################################################################################################################################################################################################################################################################ {fn} {fn} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}} {fn} {fn}} {fn}}}} {fnfnfn}}}} {f}}} {f}}}}} {\\\\\\fn}\\fn}}\\fn}\\fn\\\\\\fn\\\\\fn\\\\\\\\fn\\fn\\\\\\fn}\fn}fn}fn}\\\\\\\\fn}\\\fn {}}}. (8)

• Um{displaystyle U_{textrm {m}} es el último voltaje celular medido entre el electrodo de trabajo (WE) y el electrodo de contador (CE).
• Ec{displaystyle E_{textrm {c}} es el último potencial electroquímico medido, es decir, el voltaje entre el electrodo de referencia y WE para ser mantenido constante.
• Un{displaystyle U_{textrm {n}} es el siguiente voltaje celular que se establecerá, es decir, la salida del controlador.
• ESP{displaystyle E_{textrm {}} es el punto, es decir, el punto deseado Ec{displaystyle E_{textrm {c}}.

Si los intervalos de medición de Eq. (8) se mantienen constantes, el algoritmo de control establece el voltaje celular Um{displaystyle U_{textrm {m}} así que... Ec{displaystyle E_{textrm {c}} lo más cerca posible del punto de referencia ESP{displaystyle E_{textrm {}}. El algoritmo requiere hardware control de software como un multimetro digital, una fuente de alimentación y un relé de doble cubo. El relé es necesario para cambiar la polaridad.

Características significativas

En experimentos electroquímicos, los electrodos son las piezas del equipo que entran en contacto inmediato con el analito. Por esta razón los electrodos son muy importantes para determinar el resultado experimental. La superficie del electrodo puede o no catalizar reacciones químicas. El tamaño de los electrodos afecta la magnitud de las corrientes que pasan, lo que puede afectar la señal a ruido. Pero los electrodos no son el único factor limitante en los experimentos electroquímicos: el potenciostato también tiene un rango de operación limitado. Las siguientes son algunas características importantes que varían entre instrumentos.

• Rango de potencial eléctrico (medido y aplicado): mientras que la ventana potencial se basa principalmente en la ventana solvente, la electrónica también puede limitar el rango posible.
• Precisión en potencial (medido y aplicado): límites de desviaciones entre lo real e informado.
• Rango de tasa de escaneo: cuan lento o rápido se puede escanear una ventana potencial. Esto es más importante para experimentos que requieren altas tasas de escaneo, como los que implican ultramicroelectrodes.
• Tasa de muestreo: la tasa en la que el potencial o el voltaje pueden ser muestreados con precisión. Esto puede ser importante para experimentos que necesitan altas tasas de escaneo, como aquellos que involucran ultramicroelectrodes.
• Tamaño del archivo: un factor limitante puede ser el límite de tamaño del archivo. Esto probablemente afectaría a la elección del barrido de rango potencial o la tasa de muestra potencial.
• Gama de corriente eléctrica (medida y aplicada): el rango máximo sobre el cual se puede probar la corriente. Aplicar grandes corrientes es importante para experimentos que pasan una gran cantidad de corriente como un gran electrolisis a granel. La medición de pequeñas corrientes es importante para experimentos que pasan pequeñas corrientes como las que implican ultramicroelectrodes.
• Resolución actual: determina el rango operativo de un experimento específico y la resolución de bits de esos datos en la dimensión actual.
• Precisión en la actualidad (medida y aplicada): límites de desviaciones entre lo real e informado.
• Número de canales de trabajo: cuántos electrodos de trabajo pueden controlar el instrumento. A bipotentiostat es necesario para controlar sistemas con dos electrodos de trabajo como un electrodo de disco de anillo giratorio. A polipotentiostat puede ser importante para controlar algunos experimentos biológicos con tres o más electrodos de trabajo. Junto con un Ammeter de Resistencia Cero por electrodo muchas polarizaciones pueden ser monitorizadas al mismo tiempo en la misma célula alrededor del potencial de pareja. Si los Ammeters de Resistencia Cero tienen una capacidad de compensación, se pueden realizar múltiples pruebas al mismo tiempo en la misma célula de prueba alrededor del potencial de reposo individual de cada electrodo. Tales características pueden ser útiles para el monitoreo de la corrosión de electrodos recubiertos o soldaduras segmentadas pero de otro modo emparejadas.
• Huella: potentiostats incluyen pequeños dispositivos de alrededor de 20 x 10 x 5 cm pesando bien bajo un kilogramo o una sencilla tabla que se puede instalar en un ordenador de escritorio. Un modelo grande en la parte superior del banco estaría en el orden de 50 x 20 x 10 cm y pesar hasta o más de 5 kilogramos.
• Interfaz: puede el instrumento funcionar independientemente o debe ser esclavo de un ordenador personal.
• Generador de sudor: puede el sistema aplicar un barrido analógico o utiliza un generador de escalera digital como aproximación. Si utiliza una escalera digital, entonces la resolución de la escalera es importante.
• Electrodo rotativo: puede el instrumento operar un electrodo giratorio. Esto es intrínseco para experimentos que requieren un electrodo de disco giratorio o un electrodo de disco de anillo giratorio.