A potenciosztát fogalma még azok számára is, akik találkoztak ezzel műszerrel tanulmányaik során, egy különleges tudományos mérőeszköznek tűnik, amelyik csak a tudósok kis részének szükséges. Cikkünkben szeretnénk bemutatni, hogyan is fejlődött a potenciosztát az utóbbi években és hogyan tör utat a legdinamikusabban fejlődő iparágakban, olyanokban mint a nanotechnológia, akkumulátorok, üzemanyagcellák, napelemek, membrán technológia, biofizikai mérések, korrózió.
A MŰSZEROLDAL felkérésére készült, 2016-ban megjelent cikket az eredeti szerzői bemutatóként őrizzük. A korabeli termékadatok és ábrák történeti példák. A mai méréstervezéshez lásd a külön gyakorlati potenciosztát-útmutatót.
Mi az a potenciosztát és hogyan működik?
A potenciosztát az elektrokémiai mérések egyik alapműszere. A háromelektródos cellában úgy szabályozza az áramot, hogy a munkaelektród referenciaelektródhoz viszonyított potenciálja az előírt programot kövesse; közben rögzíti a mérési választ.
A potenciosztát úgy működik, hogy a munka elektróda (ME) és a referencia elektróda (RE) között mért potenciált fixen tartja vagy megfelelő előre megadott szabály szerint változtatja és eközben a munkaelektróda (ME) és ellenelektróda (EE) között átfolyó áramot regisztrálja idő, elektródapotenciál, potenciálváltozás sebességének függvényében.
Az alábbi korabeli rajz egy BioLogic SP-150 csatlakoztatását mutatja háromelektródos cellához, színnel jelölt vezetékekkel. Ez nem minden BioLogic készülék univerzális bekötési útmutatója.
A potenciosztát segítségével kivitelezhetőek különböző elektrokémiai mérések egy elektronokat vezető (fém vagy félvezető) elektróda felülete és egy ionvezető közeg (például, oldat vagy ionvezető membrán) között. Az alábbi ábrán egy tipikus ciklikus voltamperogrammot látunk, amelyet Pt elektródán regisztráltak savas oldatban.
A voltammogram csúcsai és hullámai oxidációs vagy redukciós folyamatokhoz kapcsolódhatnak. A csúcsáram csak megfelelő modell és mérési feltételek mellett arányos az oldott anyag koncentrációjával; a bemutatott Pt-felületi folyamatokra nem alkalmazható általános koncentrációs szabályként. A pásztázási sebesség függésének vizsgálata kinetikai és transzportinformációt adhat, de önmagában nem határozza meg egyértelműen a reakciósebességet. Az EIS hasonlóan modellhez és munkaponthoz kötött információt szolgáltat.
Potenciosztátok segítségével végzik a korróziós méréseket, amelyek során mennyiségileg meg tudják határozni az adott anyag korrózió sebességét az adott közegben, tanulmányozni különböző antikorróziós bevonatok hatékonyságát, stb.
Az elektrokémiai kutatások fejlődése, a potenciosztátok egyre szélesebb területeken való felhasználása, felgyorsította a műszerfejlesztéseket is. Megjelentek a többcsatornás potenciosztátok, a több elektródás csatlakoztatási lehetőségek, a potenciosztátok beépültek más egységekbe új egyedi tulajdonságokkal bíró műszerek jöttek így létre.
Milyen mérési paramétereket kell biztosítani egy potenciosztátnak?
A cikk történeti műszerpéldája az SP-150. Az alábbi, 2016-ban közölt felsorolás nem a mai SP-150e specifikációja és nem új beszerzéshez használható önálló adatlap.
A moduláris SP-150 külön opciókkal volt bővíthető. A korabeli cikkben szereplő tartományok és felbontások:
- Korábbi áramtartomány-felsorolás: 10 µA–800 mA; nem a legkisebb mérhető áram meghatározása.
- Felbontás : 760 pA vagy 76 fA a “Low current” opciós blokkal
- Cellafeszültség tartomány: ±10 V
- Potenciál felbontás: 5 μV , opciós impedancia mérési lehetőség ( EIS measurement) 10 µHz -től 1 MHz-ig ).
- Adatgyűjtés ideje: 20 μs az EC-Lab® Express programmal.
- Szinusz hullám amplitúdó: 1 mV ÷ 1 V
A történeti opciók EIS-t, kisáramú mérést és külső nagyáramú boostereket foglaltak magukba. A régi 1 nA-os tartomány és a 2–100 A-es boosterlista nem jelent minden készülékhez szabadon kombinálható opciót. Meglévő műszernél a pontos típus, sorozat és kompatibilis tartozék dokumentációja szükséges.
A potenciosztátot vezérlő program
A régi SP-150 bemutató EC-Lab és EC-Lab Express vezérlést, több mint 70 módszert, körülbelül 150 EIS-áramköri sablont és két minimalizáló algoritmust említett. Ezek az akkori kiadásokhoz kapcsolódó adatok. A szoftver illesztési eszközei segítik az elemzést, de a fizikai modell érvényességét külön kell ellenőrizni.
Az EC-Lab program lehetővé teszi a potenciosztáthoz csatlakoztatott forgó korong elektród és más kisegítő eszköz ( például, kvarc kristály mikromérleg analizátor ) irányítását mérések közben.
Az EC-Lab program erőssége az egyszerű, könnyen megtanulható logikai felépítés, az eredmények kitűnő grafikai demonstrálása pedig vizuális élménnyé teszi a potenciosztáttal való munkát.
Támogatott konfigurációban több felhasználó kezelheti a csatornákat és saját adatállományait. A szállított szoftvercsomagot és licencfeltételeket az ajánlat határozza meg; frissítéshez a gyártói regisztrációs és kompatibilitási feltételeket kell követni.
Az alábbi ábra bemutat egy oldalt a programból, illusztrálva a beállítási és elemzési lehetőségeket a mérések során.
Potenciosztátok gyakorlati felhasználási területei.
A modern ipar már alkalmazza a tudomány vívmányit, így az elektrokémiai mérések által nyújtott újabb lehetőségeket is. Alább röviden megemlítünk néhány gyors tempóban fejődő irányzat által generált igényt és új műszereket, amelyek a potenciosztátok beiktatásával jöttek létre.
Nanotechnológia, szenzorok fejlesztése
Kisméretű elektródák és szenzorok vizsgálatánál a kisáramú mérés különösen fontos. A fA-ban megadott felbontás vagy érzékenység nem azonos egy tetszőleges mintán elérhető pontossággal. A zaj, kábelezés, szigetelés és mérési tartomány együtt szabja meg, hogy az adott nano- vagy mikroelektród válasza értékelhető-e. EIS is alkalmazható megfelelő kisáramú konfigurációval.
A pásztázó elektrokémiai mikroszkóp (Scanning Electrochemical Microscope, SECM) a helyi elektrokémiai választ vizsgálja egy szonda mozgatásával. Az eredeti cikk „SEM” rövidítése téves volt: az elektronmikroszkóp más módszer. Az alábbi SECM-példa oldatban végzett felületvizsgálatot szemléltet.
Potenciosztát és az akkumulátorok fejlesztése, tesztelése, tesztállomások
Az akkumulátorok fejlesztése nagyon felgyorsult az utóbbi években, mert egyre több akkumulátorra van szükség az iparban. Megjelentek az elektromos járművek, a napenergia, szélenergia tárolását akkumulátorokkal kell megoldani, a mobiltelefonok, hordozható eszközök egyre több akkumulátort igényelnek.
Potenciosztátokat alkalmaztak a mostanra elterjedt Li-akkumulátorok részeinek (elektródák, elektrolit, szeparátorok) a kidolgozására, a megfelelő konstrukciók optimalizálására, és tesztelésére a fejlesztések során, évekkel ezelőtt. Már akkor felmerült az igény a többcsatornás mérésekre, hogy párhuzamosan folyjanak a kísérletek, csökkentve az eredmények elérésének időtartamát.
A többcsatornás rendszerek lehetővé tették a párhuzamos kísérleteket és a potenciosztatikus, illetve galvanosztatikus lépések egy programba szervezését. A korábbi „első, 1993-ban” történeti elsőségállítást itt nem használjuk műszerválasztási érvként.
Megfelelő vázban több, akár 16 csatorna működhet. A csatornák vagy boosterek párhuzamos nagyáramú használata csak támogatott konfigurációban lehetséges; a független csatornaszám és az összeadott áram külön követelmény. A cellákon megfelelő opcióval EIS-mérés is végezhető.
Az EIS a ciklizálást kiegészítő frekvenciafüggő információt ad. A vizsgálat ideje a frekvenciáktól és a mérési beállításoktól függ; nagyon kis frekvencián hosszú lehet. A teljes cella spektruma önmagában nem azonosít egyértelműen katód-, anód-, szeparátor- vagy elektrolithibát. Állapot- vagy élettartam-becsléshez validált modell és további adatok szükségesek.
Az akkumulátortesztelő állomások történeti példája a BCS-800 család, köztük a BCS-815 (a régi szöveg „BTS-815” jelölése elírás volt). Az ábra az akkori rendszerkínálatot mutatja.
Tüzelőanyag cellák , membrán technológia, elektrokatalizátorok, elektrodializis
A potenciosztátok szerepet kapnak tüzelőanyagcellák és elektrokatalizátorok kutatásában. A 2016-os cikk magyarországi példaként a Természettudományi Kutatóközpont megújulóenergetikai munkáit és a Magyar Hidrogén és Tüzelőanyag-cella Egyesület publikációit említette; ez történeti hivatkozás, nem új projektlista.
A potenciosztátokon kívül, kifejlesztettek teljes teszt állomásokat , amelyek nem csak az elektródán történteket méri, de irányítja a gázok adagolását, a számítógépes program közben mér , irányít, elemez minden adatot.
Támogatott többcsatornás és többelektródos konfigurációval membránnal elválasztott cellaterek is vizsgálhatók. A munka-, referencia- és ellenelektródok szerepét, a földelést és az egyes csatornák közötti kapcsolatot előre tisztázni kell; egy hagyományos háromelektródos bekötés nem bővíthető tetszőlegesen.
Más irányok, amelyekben a modern potenciosztátok elengedhetetlenek csak megemlítve:
- napelemek fejlesztése, ellenőrzése;
- anyagkutatás (kerámiák, szenzorok, nanoméretű anyagok, polimerek, epoxi anyagok, ragasztók, folyékony kristályok, biológiai cellák, ferro elektromos anyagok, poláris folyadékok és más anyagok tanulmányozása elektrokémiai, impedanciai módszerekkel;
- spektroelektrokémiai , spektrokinetikai mérések: elektrokémiai redox reakciók, 3D struktúra változások, peptid-peptid , peptid-ligand kölcsönhatások, enzimatikus és katalitikus reakciók tanulmányozása biofizikában, biokémiában, fotoszintézis és kémiai tudományágakban;
- klasszikus elektrokémiai mérések ( ez minden mérés tudományos alapja ),
- korróziós mérések.
Összefoglaló
A potenciosztát a modern mérőeszközök egyik legkiemelkedőbb eszköze. A legutóbbi évek fejlesztésének eredményeként a potenciosztát más mérőeszközzel történő kombinálásával egy sor új eszköz jelent meg a piacon, amelyek a legdinamikusabban fejlődő ipari irányzatokat szolgálják, elősegítve az új eredmények elérését. Ilyenek az elektrokémiai pásztázó mikroszkóp, nagy-áramú akkumulátorokat impedancia módszerrel ellenőrző tesztállomások, tüzelőanyag cellák tanulmányozására kifejlesztett teszt állomások, anyagkutatásban alkalmazott EIS rendszerek, spektroelektrokémiai és spektrokinetikai mérőrendszerek.
Kovács István,
kémiai tudományok kandidátusa,
Labornite Kft. ügyvezetője