Bilgi Sayfalarımız | Potansiyostat Temelleri | Referans Kimya
Potansiyostat, elektrokimyasal hücre içerisinde bulunan Çalışma Elektrodu ve Referans Elektrot arasındaki potansiyel farkını kontrol eden elektronik cihazdır. Potansiyostat bu kontrolü hücreye Harici/Karşıt elektrot üzerinden akım göndererek sağlamaktadır.
Hemen her tür uygulamada, potansiyostat Çalışma ve Karşıt elektrotlar arasındaki akımı ölçmektedir. Kontrol edilen değişken hücre potansiyeli, ölçümü yapılan değişken hücre akımıdır.
Potansiyostat cihazı üç elektrot sisteminden oluşan bir elektrokimyasal hücreye ihtiyaç duymaktadır. (2 ve 4 elektrot bağlantı imkanı da bulunmaktadır)
Potansiyelin kontrol edilip akımın ölçüldüğü elektrottur. Fiziksel elektrokimya deneylerinin çoğu için, çalışma elektrodu Altın, Platin veya Camsı Karbon gibi soy/asal bir metaldir. Elektrokimyasal tepkimenin gerçekleşmesi için uygun bir yüzey sağlamaktadır.
Korozyon testlerinde çalışma elektrodu, asıl ölçülecek metal yapısı olmayıp, yapıyı temsilen korozyona uğrayacak metalden alınan küçük bir örnek olmaktadır (ağırlık kaybı testlerinde olduğu gibi). Bu durumda örneğimiz kaplanmamış yada kaplanmış olabilmektedir.
Pil/batarya ölçümlerinde, potansiyostat doğrudan örneğimizin anot veya katoduna bağlanmaktadır.
Çalışma elektrodunun potansiyelini ölçmek için kullanılır. Üzerinden akım geçmediği sürece sabit bir elektrokimyasal potansiyel sağlamalıdır.
En çok kullanılan laboratuvar referans elektrotları, Doymuş Kalomel (SCE) ve Gümüş/Gümüş Klorür (Ag/AgCl) elektrotlarıdır. Saha ölçümlerinde, çalışma elektrodu malzemesinden, bir yalancı/yarı referans elektrot sıklıkla kullanılmaktadır.
Karşıt (Harici) Elektrot:
Hücre devresini tamamlamak için kullanılan bir iletkendir. Laboratuvar ölçümlerinde genellikle platin veya grafit gibi bir asal iletken tercih edilmektedir. Çözeltinin içinden geçen akım, Çalışma elektrodu üzerinden girerek Karşıt elektrot üzerinden hücreden ayrılmaktadır.
Elektrotlar elektriksel olarak iletken bir çözelti içerisine yerleştirilmektedir. Elektrotlar, çözelti ve çözeltiyi tutan kap/hazne, bütün olarak Elektrokimyasal Hücre olarak tanımlanmaktadır.
Basitleştirilmiş Temel Gamry Potansiyostat Devre Çizimi
Bir potansiyostat devresi temel olarak 4 adet ana bölümden oluşur.
Referans elektrot ve çalışma elektrodu arasındaki potansiyel farkınının ölçüldüğü bölümdür. Çıkışı iki ana işleve sahiptir; birincisi potansiyostat devresindeki geri-besleme sinyali, ikincisi ise ihtiyaç duyulan herhangi bir zamanda ölçülen hücre potansiyelidir.
İdeal bir elektrometrenin “0 (sıfır) giriş akımı” ve “sonsuz giriş empedansı” olmalıdır. Referans elektrot üzerinden geçebilecek bir akım, sabit olması gereken potansiyel değerini değiştirebilecektir. Pratikte tüm güncel elektrometrelerin giriş akım değerleri, etkileri ihmal edilebilecek kadar sıfıra yakındır.
Elektrometreleri sınıflandıran iki önemli parametre “Bant Genişliği” ve “Giriş Kapasitans Değeri” dir. Bant Genişliği, düşük empedansa sahip bir örneğe uygulanabilecek AC frekans değerlerini belirler. Elektrometrenin bant genişliği potansiyostat içindeki diğer devre elemanlarının bant genişliğinden yüksek olmalıdır.
Elektrometrenin giriş kapasitansı ve referans elektrodun direnci, sistemde bir RC filtresi oluşturur. Bu filtrenin zaman sabiti çok büyük ise, bu oluşum elektrometrenin kullanılabilir bant genişliğini etkileyerek sistem kararsızlıklarına yol açabilir. Düşük giriş kapasitans değerleri ise daha düzenli/kararlı çalışma ve yüksek empedanslı referans elektrotları daha iyi tolere edebilmeye imkan sağlar.
2. I/E Dönüştürücü (I/E Converter):
Hücre akımını okuyan devre bölümüdür. Hücredeki akımın akım-ölçme direnci, Rm, üzerinden geçmesini sağlar. Rm direnci üzerindeki potansiyel düşmesi hücre akımın okunması ile sonuçlanır.
Bazı deneylerde hücre akımı fazla değişiklik göstermez, korozyon gibi bazı ölçümlerde ise ölçülen akım değerleri 7 kata kadar artıp azalabilir. Sadece bir adet akım-ölçme direnci ile bu kadar geniş bir aralığın doğrulukla ölçümü mümkün değildir. Belli sayıda farklı Rm dirençlerinin otomatik olarak devreye alınabilmesi ve her akımın uygun bir direnç üzerinden okunabilmesi geniş akım aralıklarında çalışabilmeyi mümkün kılar.
I/E Dönüştürücü ünitenin bant genişliği, hassasiyetini belirlemektedir. Düşük akım değerlerinin okunması için büyük Rm direnç değerlerine ihtiyaç duyulur. Hiçbir potansiyostat 100 kHz frekansta 10 nA akımı doğrulukla ölçemez, çünkü bu akım bölgesinde sahip olduğu bant genişliği 100 kHz frekansı ölçebilmek için çok küçük olacaktır. Bu etki EIS ölçümlerinde çok çok önemli hale gelmektedir.
3. Kontrol Yükselteci (Control Amplifier):
Servo yükselteçtir. Ölçülen hücre potansiyeli ile uygulanması istenen potansiyel değerlerini karşılaştırır ve potansiyel değerleri aynı olana kadar hücreye uygulanan akımı değiştirir.
Sinyal devresi bilgisayar kontrollü bir voltaj kaynağıdır. Genellikle bilgisayar tarafından yaratılan sayıları potansiyel değerlerine çeviren Digital-to-Analog (D/A) çeviricinin çıkışıdır. Uygun biçimde seçilen sayı dizileri ile sabit, artış (ramp) ve hatta sinüs dalgası şeklinde potansiyeller oluşturulabilir.
Sinüs veya artış biçiminde dalgaları D/A çevirici ile oluştururken dalga şekli, analog dalganın eşdeğer sayısal ortalamasi şeklinde küçük potansiyel basamaklarıdır. Basamakların büyüklüğü D/A çeviricinin çözünürlüğü ile kontrol edilir.
Galvanostat ve ZRA (Zero Resistance Ammeter)
Gamry potansiyostat cihazınızı Galvanostat veya ZRA olarak kullanabilirsiniz. Galvanostat olarak hücredeki akımı kontrol edebilir, ZRA ayarı ile iki farklı elektrot arasındaki potansiyel farkını sıfır olarak tutabilirsiniz. ZRA yöntemi “Galvanik Korozyon” ve “Elektrokimyasal Gürültü” ölçümlerinde kullanılmaktadır.
Gamry sistemlerinde seçilen deney tekniğine göre cihazın ne olarak çalışacağı, otomatik olarak ayarlanmaktadır.
elektrokimya potansiyostat galvanostat elektrot
REFERANS ELEKTROTLAR ⇒