Wofür wird ein Potentiostat/ Galvanostat verwendet?
Ein Potentiostat ist ein elektronisches Gerät, das ein zu untersuchendes System (z.B. eine Batterie) mit Spannung versorgt, um Reaktionen zum Laufen zu bringen, und den resultierenden Strom misst. Ein Galvanostat dagegen versorgt das System mit Strom und misst die Spannung. Daraus ergeben sich Strom- bzw. Spannungsverläufe. Durch die Interpretation dieser Verläufe wird das System charakterisiert. U.a. können Rückschlüsse auf die Reaktionskinetik, Widerstände oder aber auch auf die Batterieperformance gezogen werden.
Wie funktioniert ein Potentiostat?
Eine elektrochemische Zelle besteht ind der Regel aus einem Gehäuse, einem Elektrolyten und meistens aus drei Elektroden:
- Arbeitselektrode (WE)
- Gegenelektrode (CE) und
- Referenzelektrode (RE),
die in den Elektrolyten eintauchen. Die Aufgabe des Potentiostaten ist es, das Potential (bzw. die Spannung) der Arbeitselektrode in Bezug zur Referenzelektrode zu messen und zu regeln. Dies wird mit Hilfe eines Operationsverstärker (OPA) umgesetzt.
Der OPA gleicht als Differenzverstärker die zwei Eingangssignale von Arbeits- und Referenzelektrode ab und gibt zur Angleichung einen entsprechenden Stromfluss zur Gegenelektrode frei. Solange die Potentialdifferenz zwischen Arbeits- und Referenzelektrode nicht dem gewünschten Wert entspricht, regelt der OPA den Stromfluss durch die Zelle zwischen Gegen- und Arbeitselektrode.
Anwendungsgebiete und Messmethoden
Typische Einsatzbereiche für Potentiostate/ Galvanostate sind:
- Sensorentwicklung
- Elektrochemie
- Korrosionsforschung
- Batterieforschung
- analytische Chemie...
Ein Potentiostat/ Galvanostat kann auf zwei unterschiedliche Arten funktionieren.
Bei der potentiostatischen Arbeitsweise wird die Spannung angelegt und geregelt. Dabei wird der Strom, welcher durch die elektrochemische Zelle fließt, gemessen. Die häufigste Messmethode, welche in diesem Modus eingesetzt wird, ist die zyklische Voltammetrie (auch Dreiecksspannungsmethode genannt). Hierbei wird die Spannung mit einer konstanten Potentialvorschubgeschwindigkeit variiert. Daraus resultiert ein zyklisches Voltammogramm. Dieses gibt eine Auskunft z.B. über die Elektronenübergänge und Elektrodenkinetik.
Bei der galvanostatischen Arbeitsweise wird der Strom angelegt und geregelt, und die Spannung wird gemessen. Überwiegend wird dieser Modus im Bereich der Batterieentwicklung eingesetzt. Bei dem Lade-/ Entladeexperiment (Zyklisierung) wird die Batterieperformance untersucht. Dabei wird die Batterie mit einem konstanten Strom zwischen festgelegten Spannungswerten geladen und entladen.
Impedanzspektroskopie: Bei dieser Methode wird das untersuchte System einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer kleinen Amplitude in einem bestimmten Frequenzbereich ausgesetzt. Damit werden u.a. die Elektrodenkinetik oder Verläufe z.B. bei der Korrosion charakterisiert.
Die meisten unserer Potentiostate/ Galvanostate sind mit einem Impedanzanalysator für die Durchführung der Impedanzmessung bereits ausgestattet. Oder es besteht die Möglichkeit ein Erweiterungsmodul für die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zu erwerben.