포텐시오스타트

그림 1: 전위차량의 개요

전위차단자는 3개의 전극 셀을 제어하고 대부분의 전기 분석 실험을 실행하는 데 필요한 전자 하드웨어입니다.Bipotabilityiostat 및 polypotentiostat은 각각 ^[1]^[2]^[3]^[4]2개의 동작전극 및 2개 이상의 동작전극을 제어할 수 있는 전위차단이다.

이 시스템은 보조 전극에서 전류를 조정하여 기준 전극에 대해 작동 전극의 전위를 일정한 수준으로 유지함으로써 작동합니다.다양한 전위차 전자 회로의 심장은 OP 앰프(op ^[5]amp)입니다.이 회로는 보통 단순한 연산 전류로 설명되는 전기 회로로 구성됩니다.

주요 용도

이 장비는 산화환원 화학 및 기타 화학 현상과 관련된 반응 메커니즘을 조사하기 위해 세 개의 전극 시스템을 사용하는 현대 전기화학 연구의 기초입니다.결과 데이터의 차원은 실험에 따라 달라집니다.전압계측에서 전류(암페어)는 전압의 전위에 대해 플롯됩니다.벌크 전기 분해에서 통과된 총 쿨롬(총 전하)은 실험에 의해 시간 경과에 따른 전류(암페어)가 측정되더라도 초 단위로 시간에 대해 표시됩니다.이는 실험이 예상 쿨롬 수에 근접하고 있음을 보여주기 위해 수행됩니다.

대부분의 초기 포텐티오스타트는 독립적으로 기능하여 물리적 데이터 추적을 통해 데이터 출력을 제공할 수 있었습니다.최신의 Potentiostat는, PC와 인터페이스 해 전용의 소프트웨어 패키지로 동작하도록 설계되어 있습니다.자동화된 소프트웨어를 통해 사용자는 실험과 실험 조건 사이를 빠르게 이동할 수 있습니다.컴퓨터를 사용하면 이전의 독립 실행형 장치보다 데이터를 더 효과적이고 빠르고 정확하게 저장하고 분석할 수 있습니다.

기본적인 관계

포텐티오스타트는 제어 및 측정 장치입니다.저항의 변화를 감지하여 셀 전체의 전위를 제어하는 전기 회로로 구성되어 있으며, 이에 따라 시스템에 공급되는 전류가 변화합니다. 저항이 높으면 전류가 감소하지만 저항이 낮으면 옴에 설명된 대로 전압이 일정하게 유지됩니다.의 법칙입니다.

{R}={E\over I}

그 결과 가변계 저항과 제어전류는 반비례한다.

\displaystyle I_{o}={E_{c}\over R_{v}}

$I_{o}$ O $(\$ 는 $I_o$ 전위차원의 출력 전류입니다.
$E_{c}$ c $E_{c}$ { $display style$ E _ { $c$ }는 $E_{c}$ 일정하게 유지되는 전압입니다.
$R_{v}$ v $R_{v}$ { $display style$ R _ { $v$ } $R_{v}$ 、전자기저항이 변화합니다.

동작 원리

1942년 영국의 전기화학자인 아치 히클링(레스터 대학)이 최초의 3개의 전극 전위차단을 ^[6]만들었을 때부터 이 기구를 개선하기 위한 상당한 진전이 있었다.히클링의 장치는 셀 전위를 자동으로 제어하기 위해 세 번째 전극인 참조 전극을 사용했습니다.오늘날까지 그의 원칙은 여전히 유효하다.한눈에 볼 수 있는 전위차(Potentiostat)는 작동전극과 기준전극의 전위차를 측정하여 대향전극을 통해 전류를 인가하고 직렬저항( $그림$ 1의 R m {\ $displaystyle R_{\textrm$ {m $}})$ 을 통해i {\ $displaystyle$ i $}$ $i$ } R {\ $displaystyle$ R $}$ 의 전압강하로서 전류를 측정합니다.

컨트롤앰프(CA)는 기준전극과 작동전극 사이의 전압을 입력전원 $(\$ 의 전압에 최대한 가깝게 유지하는 역할을 하며 평형상태를 만족하도록 셀전류를 자동으로 제어하도록 출력을 조정합니다.연산 이론은 아래 방정식을 사용하여 가장 잘 이해할 수 있습니다.

다음 방정식을 관찰하기 전에 전기화학 셀과 전류 측정 $R_{\textrm {m}}$ R $R_{\textrm {m}}$ {\ $displaystyle R_{\textrm {m}}}$ 은 $R_{\textrm {m}}$ 두 가지 임피던스로 간주될 수 있습니다(그림 2). $(\$ 은 $Z_{1}$ 대향전극의 계면임피던스 및 대향전극과 기준간 용액저항과 직렬로 R $(\$ 을 $R_{\textrm {m}}$ $R_{\textrm {m}}$ 한다. $Z_{2}$ 2 $(\$ 는 $Z_{2}$ 작동 전극과 기준 전극 사이의 용액 저항과 직렬로 작동 전극의 계면 임피던스를 나타냅니다.

그림 2: 전기화학 셀을 2개의 임피던스로 대체한 전위차단 개략도.

컨트롤 앰프의 역할은 양의(또는 반전되지 않는) 입력과 음의(또는 반전) 입력 사이의 전위차를 증폭하는 것입니다.이를 수학적으로 다음 방정식으로 변환할 수 있습니다.

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

(

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

+ -

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

E - )

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

(

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

i -

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

)

{

display style

E_

{\textrm

{

out}

=

A

, ( E^ { + } - E^ { - } =

A

, ( E _ { \

textrm

{

i

} -

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

_

r

} )

E_{\textrm {out}}=A\,(E^{+}-E^{-})=A\,(E_{\textrm {i}}-E_{\textrm {r}})

。

$여기$ 서 A $(\displaystyle$ A $)$ 는 $A$ CA의 증폭률입니다.이 때 기준전극을 통해 극히 적은 양의 전류가 흐르고 있다고 가정할 수 있다.이는 기준 전극이 고임피던스 전위계에 연결되어 있기 때문에 물리적 현상과 관련이 있습니다.따라서 셀 전류는 다음 두 가지 방법으로 설명할 수 있습니다.

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {out}}}{Z_{1}+Z_{2}}}

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {out}}}{Z_{1}+Z_{2}}}

(2)

그리고.

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {r}}}{Z_{2}}}

c

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {r}}}{Z_{2}}}

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {r}}}{Z_{2}}}

I_{\textrm {c}}={\frac {E_{\textrm {r}}}{Z_{2}}}

2 (\

displaystyle I_{\textrm {

c}} =

flac {E_{\textrm {r}}}

{

Z_{2

. (3)

Eq. (2)와 (3)을 조합하면 Eq. (4)가 된다.

=

}}}, E_{\textrm

{out

}}=\textrm

{

out}}(

)

$\beta$ 서 $\beta$ β {\ $displaystyle \display}$ 는 $\beta$ 음의 입력으로 반환되는 제어 증폭기의 출력 전압의 비율, 즉 피드백 계수입니다.

\beta ={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}

\beta ={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}

Eq. (1)과 (4)를 조합하면 Eq. (6)가 된다.

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

A

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

+

{\frac {E_{\textrm {r}}}{E_{\textrm {i}}}}={\frac {\beta \,A}{1+\beta \,A}}

A ({

displaystyle

{

E

_ { \

textrm

{

r

} } {

E _

{ \

textrm

{ i } } =

frac

{

1

+ \

beta }

) . ( 6 )

β $(\displaystyle\beta)$ $\beta$ $(\displaystyle$ A $)$ 의 $A$ 양이 1에 대해 매우 커지면 Eq.(6)는 음의 피드백 방정식 중 하나인 Eq.(7)로 감소한다.

E_{\textrm {i}}=E_{\textrm {r}}

i

E_{\textrm {i}}=E_{\textrm {r}}

E_{\textrm {i}}=E_{\textrm {r}}

\

E_

{\textrm {

i}} =

E_{\textrm {r

. (7)

eq. (7)는 컨트롤 앰프가 기준 전압과 작동 전압 사이의 전압을 입력 소스 전압에 가깝게 유지하도록 작동함을 증명합니다.

소프트웨어 제어

제어 알고리즘은 CA를 대체하여 참조 전극과 작동 ^[7]전극 사이에 $E_{\textrm {c}}$ E $E_{\textrm {c}}$ {\ $displaystyle E_{\textrm {c}}}$ 를 $E_{\textrm {c}}$ 유지할 수 있습니다.이 알고리즘은 비례 규칙에 기초하고 있습니다.

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

E

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

E

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

{

displaystyle

{

frac

{ U _ { \

textrm

{ m } } { E

_

{ \

textrm

{ c }} =

snfrac

{

U

_ { \

textrm

{ n

}

} } }

{\frac {U_{\textrm {m}}}{E_{\textrm {c}}}}={\frac {U_{\textrm {n}}}{E_{\textrm {SP}}}}

( 8 )

$(\$ 은 $U_{\textrm {m}}$ 작동 전극(WE)과 대향 전극(CE) 사이에서 측정된 마지막 셀 전압입니다.
$E_{\textrm {c}}$ c $(\$ 는 $E_{\textrm {c}}$ 마지막으로 측정된 전기화학적 전위, 즉 기준 전극과 WE 사이의 전압을 일정하게 유지하는 것입니다.
$(\$ 은 $U_{\textrm {n}}$ 다음으로 설정되는 셀 전압, 즉 컨트롤러 $U_{\textrm {n}}$ 입니다.
$E_{\textrm {SP}}$ SP $(\$ 는 $E_{\textrm {SP}}$ 설정점입니다. $E_{\textrm {c}}$ , $E_{\textrm {c}}$ 의 E $c$ c c c c c c c c c c c c c . { \ $textrm$ { $c$ } $E_{\textrm {c}}$ 。

Eq. (8)의 측정 간격이 일정하게 유지되면 제어 알고리즘은 셀 $U_{\textrm {m}}$ $U_{\textrm {m}}$ {\ $displaystyle U_{\textrm {m}}$ 을 $U_{\textrm {m}}$ $($ 를) 설정하여 $E_{\textrm {SP}}$ ${\$ $displaystyle E_{\textrm {c$ 이 $E_{\textrm {c}}$ (가) $E_{\textrm {SP}}$ 에 최대한 가깝게 $E_{\textrm {c}}$ 되도록 합니다. 제어 가능한 알고리즘이 필요합니다.디지털 멀티미터, 전원 공급 장치, 이중 극 더블 스로우 릴레이와 같은 Ardware.극성을 전환하려면 릴레이가 필요합니다.

중요한 기능

전기화학 실험에서 전극은 분석 물질과 즉시 접촉하는 장비 조각입니다.이러한 이유로 전극은 실험 결과를 결정하는 데 매우 중요합니다.전극 표면이 화학 반응을 촉매할 수도 있고 촉매하지 않을 수도 있습니다.전극의 크기는 전달되는 전류의 크기에 영향을 미쳐 신호와 노이즈에 영향을 미칠 수 있습니다.그러나 전극이 전기화학 실험의 유일한 제한 요인은 아니며, 전위차단도 작동 범위가 제한되어 있습니다.다음은 기기마다 다른 몇 가지 중요한 기능입니다.

전위 범위(측정 및 적용): 전위 윈도우는 대부분 용제 윈도우를 기반으로 하지만 전자 장치는 가능한 범위를 제한할 수도 있습니다.
퍼텐셜의 정확도(측정 및 적용): 실제와 보고된 사이의 편차의 한계.
검색 속도 범위: 잠재적인 창을 검색할 수 있는 속도 또는 속도입니다.이는 초미량 전극과 같은 높은 스캔 속도를 필요로 하는 실험에서 가장 중요합니다.
샘플링 속도: 전위 또는 전압을 정확하게 샘플링할 수 있는 속도입니다.이는 초미량 전극과 같은 높은 스캔 속도를 필요로 하는 실험에 중요할 수 있습니다.
파일 크기: 파일 크기 제한이 될 수 있습니다.이는 스위프된 잠재적 범위 또는 잠재적 샘플링 속도 선택에 영향을 미칠 가능성이 높습니다.
전류 범위(측정 및 적용): 전류를 샘플링할 수 있는 최대 범위.대량 전기 분해와 같이 대량의 전류를 통과하는 실험에서는 대량의 전류를 인가하는 것이 중요합니다.초미세전극과 같은 작은 전류를 통과하는 실험에서는 작은 전류를 측정하는 것이 중요합니다.
전류 분해능: 특정 실험의 작동 범위와 현재 차원에서의 해당 데이터의 비트 분해능을 결정합니다.
전류 정확도(측정 및 적용): 실제와 보고된 사이의 편차의 한계.
작동 채널 수: 기기가 제어할 수 있는 작동 전극의 수.회전하는 링 디스크 전극과 같은 2개의 작동 전극이 있는 시스템을 제어하려면 바이포네티오스타트가 필요합니다.폴리포텐티오스탯은 3개 이상의 전극을 가진 일부 생체실험을 제어하기 위해 중요할 수 있다.전극당 제로 저항 전류계와 함께, 커플링 전위 주변의 동일한 셀에서 많은 편파를 동시에 모니터링할 수 있다.제로 저항 전류계에 오프셋 기능이 있는 경우 각 전극의 개별 정지 전위 주변의 동일한 테스트 셀에서 동시에 여러 테스트를 수행할 수 있습니다.이러한 기능은 코팅된 전극 또는 분할되었지만 결합되지 않은 용접부의 부식 모니터링에 유용할 수 있습니다.
풋프린트: 약 20 x 10 x 5 cm 의 소형 디바이스 또는 데스크탑 컴퓨터에 설치할 수 있는 심플한 보드가 포함됩니다.대형 벤치탑 모델은 50 x 20 x 10 cm 정도이며 무게는 최대 5 kg 이상입니다.
인터페이스: 계측기를 독립적으로 실행할 수 있거나 개인용 컴퓨터에 슬레이브해야 합니다.
스위프 발생기: 시스템이 아날로그 스위프를 적용할 수 있는지 또는 디지털 계단 발생기를 근사치로 사용할 수 있는지 여부.디지털 계단을 사용하는 경우 계단의 해상도가 중요합니다.
회전 전극: 기기가 회전 전극을 작동할 수 있습니다.이는 회전 디스크 전극 또는 회전 링 디스크 전극이 필요한 실험에 필수적입니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ 바드, A.J.; 포크너, L.R. (2000년)전기화학적 방법:기초와 응용 프로그램뉴욕: John Wiley & Sons, 제2판, ISBN 0-471-40521-3.
^ Cynthia G. Zoski (편집자) (2007)전기화학 핸드북Elsevier, ISBN 0-444-51958-0
^ 피터 T. 키신저, 윌리엄 R.하이네만(1996년).전기 분석 화학의 실험실 기술.CRC 프레스, ISBN 0-8247-9445-1
^ 더글러스 A스쿠그, F. 제임스 홀러, 티모시 ANieman(1998).기기 분석의 원리.하코트 브레이스 대학 출판사,ISBN 0-03-002078-6.
^ W. Colburn, Alex; J. Levey, Katherine; O'Hare, Danny; V. Macpherson, Julie (2021). "Lifting the lid on the potentiostat: a beginner's guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation". Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (14): 8100–8117. doi:10.1039/D1CP00661D. Retrieved 2021-12-15.
^ Hickling, A. (1942). "Studies in electrode polarisation. Part IV.-The automatic control of the potential of a working electrode". Transactions of the Faraday Society. 38: 27–33. doi:10.1039/TF9423800027.
^ Siegert, M. (2018). "A scalable multi-channel software potentiostat". Frontiers in Energy Research. 6: 131. doi:10.3389/fenrg.2018.00131.

추가 정보

"An Inexpensive Field-Portable Programmable Potentiostat". The Chemical Educator. doi:10.1333/s00897050972a. Archived from the original on 2006-03-01. Retrieved 2008-10-06.
Staicopoulos, D. N. (1961). "High Current Electronic Potentiostat". Review of Scientific Instruments. 32 (2): 176–178. Bibcode:1961RScI...32..176S. doi:10.1063/1.1717304.
Friedman, Elliot S.; Rosenbaum, Miriam A.; Lee, Alexander W.; Lipson, David. A.; Land, Bruce R.; Angenent, Largus T. (2012). "A cost-effective and field-ready potentiostat that poises subsurface electrodes to monitor bacterial respiration". Biosensors and Bioelectronics. 32 (1): 309–313. doi:10.1016/j.bios.2011.12.013.
W. Colburn, Alex; J. Levey, Katherine; O'Hare, Danny; V. Macpherson, Julie (2021). "Lifting the lid on the potentiostat: a beginner's guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation". Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (14): 8100–8117. doi:10.1039/D1CP00661D. Retrieved 2021-12-15.

외부 링크

Genady Ragoisha(웹마스터), "Potentiynamic Electrochical Impendance Spectrocopy(PDEIS)", 벨라루스 주립대학교 물리화학연구소.전기화학 실험을 위한 가상 계장에서의 전위차 물질 사용에 대한 설명.
피에르 R.Roberge (Webmaster) "Potentiostat", corrosion-doctors.org 전기화학사전
"저렴한 가격: 오픈 소스, "Do-It-Yourself" 포텐티오스타트..." Aaron A.캘리포니아 대학교 샌타바바라 로외 연구진
전위차 안정성의 미스터리가 설명되었습니다.

[1] 바드, A.J.; 포크너, L.R. (2000년)전기화학적 방법:기초와 응용 프로그램뉴욕: John Wiley & Sons, 제2판, ISBN 0-471-40521-3.

[2] Cynthia G. Zoski (편집자) (2007)전기화학 핸드북Elsevier, ISBN 0-444-51958-0

[3] 피터 T. 키신저, 윌리엄 R.하이네만(1996년).전기 분석 화학의 실험실 기술.CRC 프레스, ISBN 0-8247-9445-1

[4] 더글러스 A스쿠그, F. 제임스 홀러, 티모시 ANieman(1998).기기 분석의 원리.하코트 브레이스 대학 출판사,ISBN 0-03-002078-6.

[Colburn_2021-5] W. Colburn, Alex; J. Levey, Katherine; O'Hare, Danny; V. Macpherson, Julie (2021). "Lifting the lid on the potentiostat: a beginner's guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation". Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (14): 8100–8117. doi:10.1039/D1CP00661D. Retrieved 2021-12-15.

[6] Hickling, A. (1942). "Studies in electrode polarisation. Part IV.-The automatic control of the potential of a working electrode". Transactions of the Faraday Society. 38: 27–33. doi:10.1039/TF9423800027.

[7] Siegert, M. (2018). "A scalable multi-channel software potentiostat". Frontiers in Energy Research. 6: 131. doi:10.3389/fenrg.2018.00131.

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