Eine einzelne Messung gibt immer nur einen Teil des Gesamtbildes wieder. Ein Voltammogramm zeigt, was an der Elektrode geschieht, aber nicht, was die Moleküle in der Lösung dabei tun. Die Spektroelektrochemie schließt diese Lücke, indem sie dieselbe Reaktion gleichzeitig mit Licht und mit Strom beobachtet.
Ein spektral-elektrochemischer Potentiostat ist ein Potentiostat, der genau für diesen Zweck ausgelegt ist: Er treibt die Redoxreaktion an, während ein Spektrometer das Licht aufzeichnet. Auf dieser Seite wird erläutert, was für einen solchen Aufbau erforderlich ist und welche Geräte und Zellen von PalmSens dafür geeignet sind.
Potentiostaten für die Spektroelektrochemie
Beginnen Sie mit dem kompletten Spektroelektrochemie-Kit oder wählen Sie das Gerät, das zu Ihren Proben passt: den tragbaren PalmSens4, den kabellosen EmStat4X oder den hochempfindlichen Nexus.
Was ist Spektroelektrochemie?
Die Spektroelektrochemie ist eine kombinierte Technik, bei der eine elektrochemische Methode, wie beispielsweise die zyklische Voltammetrie oder die Chronoamperometrie, mit einer spektroskopischen Methode, wie beispielsweise der UV-Vis-Absorptionsspektroskopie, kombiniert wird, um dasselbe System gleichzeitig zu untersuchen.
Der Potentiostat treibt eine Redoxreaktion an der Arbeitselektrode an, während ein Spektrometer erfasst, wie die Probe Licht absorbiert oder durchlässt. Das eine Gerät misst den Strom und die Ladung, das andere ermittelt, welche Spezies in welcher Menge vorhanden sind. Da beide Signale gleichzeitig erfasst werden, lässt sich ein kurzlebiges Oxidations- oder Reduktionsprodukt anhand seines Spektrums identifizieren, bevor es zerfällt.
Die Elektrochemie zeigt, dass eine Reaktion stattfindet. Die Spektroskopie zeigt, was dabei entsteht.
Warum Elektrochemie und Spektroskopie kombinieren?
Die beiden Verfahren liefern unterschiedliche, sich ergänzende Informationen. Die Elektrochemie ist empfindlich gegenüber Elektronentransfer und Reaktionsgeschwindigkeiten; die Spektroskopie identifiziert Moleküle und verfolgt deren Konzentration.
Werden sie getrennt gemessen, entstehen Lücken. Werden sie gemeinsam gemessen, können Sie einen Redoxpeak einer bestimmten farbigen Spezies zuordnen, den Aufbau eines Zwischenprodukts in Echtzeit verfolgen und die Kinetik sowie die Reversibilität einer Reaktion in einem einzigen Experiment untersuchen.
Aus diesem Grund findet die Spektroelektrochemie in den Bereichen Elektrokatalyse, Sensorentwicklung, Batterie- und Materialforschung sowie bei der Untersuchung elektrochromer und redoxaktiver Verbindungen Anwendung.
Was ein Potentiostat für die spektroelektrochemische Untersuchung benötigt
Der elektrochemische Teil einer spektroelektrochemischen Messung besteht aus gewöhnlicher zyklischer Voltammetrie oder Chronoamperometrie. Was das Gerät auszeichnet, ist die Qualität der Kommunikation mit dem Spektrometer und die Fähigkeit, selbst kleinste Ströme aufzulösen.
Das Hauptmerkmal ist ein Zusatzanschluss. Ein digitaler Ausgang am Potentiostaten löst das Spektrometer aus, sodass Licht und Strom gleichzeitig aufgezeichnet werden, und ein analoger Eingang liest das Signal des Spektrometers zurück, sodass die Transmittanz bei einer ausgewählten Wellenlänge im selben Fenster wie das Voltammogramm angezeigt wird.
Die Empfindlichkeit ist von entscheidender Bedeutung, da optisch dünne Zellen nur wenig Probe aufnehmen und die resultierenden Ströme gering sind. Ein breiter Bereich an niedrigen Strombereichen sorgt dafür, dass diese Ströme bei geringem Rauschen im Messbereich bleiben, und die Unterstützung von CV, Chronoamperometrie und Mehrstufen-Amperometrie deckt die in der Spektroelektrochemie verwendeten Methoden ab.
Welcher Potentiostat eignet sich für die Spektroelektrochemie?
Die oben aufgeführten Gerätekarten decken die gesamte Auswahl ab; welche davon die richtige ist, hängt von Ihren Proben und Ihrer Arbeitsweise ab.
Für die meisten Anwendungen in der UV-Vis-Spektroselektrochemie ist der PalmSens4 die naheliegende Wahl – tragbar, batteriebetrieben und das in der Anwendungsbeschreibung verwendete Gerät.
Wenn der Aufbau kabellos sein oder in eine kompakte, integrierte Versuchsanordnung eingebaut werden soll, ist der EmStat4X die bessere Wahl.
Und wenn die Ströme sehr gering sind oder Sie ein Minimum an Rauschen und ein Maximum an Empfindlichkeit wünschen, ist der Nexus die richtige Wahl.
Der spektroselektrochemische Aufbau
Bei einer spektroelektrochemischen Messung wird eine normale Dreielektrodenzelle um einen Lichtweg erweitert. Im Aufbau von PalmSens besteht die Zelle aus einer ItalSens K300-Küvette mit einer Arbeitselektrode aus Platinnetz, einer Gegenelektrode aus Platindraht und einer Referenzelektrode, sodass Licht während der Reaktion durch die Lösung dringen kann.
Um die Zelle herum befinden sich ein UV-Vis-Spektrometer, eine Lichtquelle, zwei Lichtleiter und ein Küvettenhalter, wobei der Potentiostat über ein einziges Kabel mit dem Spektrometer verbunden ist. PalmSens arbeitet bei der Optik mit Avantes zusammen, sodass das Set als aufeinander abgestimmtes Paket geliefert wird.
Der Potentiostat läuft unter PSTrace, das Spektrometer unter seiner eigenen Software. Eine Dunkel- und eine Referenzmessung legen die Basislinie fest; von da an sorgt der digitale Trigger dafür, dass beide Aufzeichnungen synchron bleiben.
Von einer einzelnen Wellenlänge bis hin zu einem vollständigen 3D-Spektrum
Drei Messungen decken die meisten Anforderungen ab. Die einfachste erfasst die Transmittanz bei einer einzigen Wellenlänge während eines zyklischen Voltammetrie-Scans, sodass ein Anstieg oder Abfall der Extinktion mit einem Redox-Peak übereinstimmt.
Die nächste Aufzeichnung erfasst während eines chronoamperometrischen Experiments in regelmäßigen Abständen ein Vollspektrum, sodass Sie beobachten können, wie sich eine Spezies im Laufe der Zeit anreichert. Die dritte Aufzeichnung kombiniert einen CV-Scan mit Vollspektren zu einer 3D-Darstellung der Wellenlänge in Abhängigkeit von der Extinktion sowie der Zeit oder dem Potential.
Ein klassisches Beispiel hierfür ist Methylviologen. Seine farblose Form wandelt sich bei der Reduktion in ein blaues Radikal um und absorbiert Licht bei etwa 600 nm, sodass sich der vom Spektrometer festgestellte Farbwechsel direkt auf den vom Potentiostaten gemessenen Strom abbilden lässt.
Beginnen Sie mit dem Spektroelektrochemie-Kit
Der schnellste Einstieg ist das Spektroelektrochemie-Kit, das einen PalmSens -Potentiostaten mit der Zelle, den Kabeln sowie einem passenden Avantes-Spektrometer, einer Lichtquelle und Lichtleitern kombiniert.
Senden Sie uns eine E-Mail oder rufen Sie uns an, um ein Angebot zu erhalten oder zu besprechen, welches Gerät für Ihre Proben und Verfahren am besten geeignet ist.
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Die Schritt-für-Schritt-Anleitung finden Sie im Anwendungsleitfaden zur Spektroelektrochemie. Wenn Sie alles aus einer Hand erhalten möchten, sehen Sie sich das Spektroelektrochemie-Kit an.
Geräte: PalmSens4, EmStat4X und Nexus. Hintergrund: Zyklische Voltammetrie und was ein Potentiostat ist.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Spektroelektrochemie?
Es handelt sich um eine kombinierte oder gekoppelte Technik, bei der ein elektrochemisches Verfahren und ein spektroskopisches Verfahren gleichzeitig an derselben Probe durchgeführt werden, sodass eine Redoxreaktion sowohl anhand des dabei entstehenden Stroms als auch anhand des von den beteiligten Spezies absorbierten Lichts verfolgt werden kann.
Was ist eine spektroelektrochemische Zelle?
Eine Zelle, die Licht durch die Probe hindurchlässt, während eine Dreielektrodenmessung durchgeführt wird. Dabei kommt in der Regel eine optisch zugängliche Arbeitselektrode, wie beispielsweise ein Platinnetz oder eine transparente Elektrode, in einer Küvette zum Einsatz, sodass ein Spektrometer die Lösung messen kann.
Welcher Potentiostat eignet sich am besten für die Spektroelektrochemie?
Der PalmSens4 eignet sich für die meisten Anwendungen in der UV-Vis-Spektroselektrochemie und ist das in der Anwendungsbeschreibung verwendete Gerät. Der EmStat4X eignet sich für drahtlose, kompakte Aufbauten, und der Nexus ist die richtige Wahl, wenn die Ströme sehr gering sind oder höchste Empfindlichkeit erforderlich ist.
Wie werden Potentiostat und Spektrometer synchronisiert?
Über den Hilfsanschluss des Potentiostaten. Ein digitaler Ausgang löst das Spektrometer zu Beginn der Messung aus, und der analoge Ausgang des Spektrometers kann in den Potentiostaten zurückgelesen werden, sodass beide Ergebnisse in einem Fenster angezeigt werden.
Welche Verfahren können Sie damit durchführen?
Die elektrochemische Messung erfolgt in der Regel mittels zyklischer Voltammetrie oder Chronoamperometrie. Sie können die Transmittanz bei einer einzelnen Wellenlänge während eines CV-Scans, das gesamte Spektrum in Intervallen während der Chronoamperometrie aufzeichnen oder beides zu einem 3D-Diagramm aus Wellenlänge, Extinktion und Zeit bzw. Potential kombinieren.
Kann ich mehr als nur UV-Vis messen?
Die UV-Vis-Absorption ist die gängigste Kombination, doch das gleiche Prinzip der gleichzeitigen Durchführung von Elektrochemie und Spektroskopie gilt auch für andere optische Verfahren. Der Aufbau des „ PalmSens “ basiert auf der UV-Vis-Spektroskopie.