Was sind die verschiedenen Arten von Potentiostaten und ihre Anwendungen?

Die Elektrochemie ist ein weitreichendes Fachgebiet mit vielen verschiedenen Anwendungsbereichen. Dies spiegelt sich auch in den elektrochemischen Messgeräten wider. Potentiostaten, Galvanostaten und Impedanzanalysatoren sind zwar recht vielseitig einsetzbar, konzentrieren sich jedoch häufig auf bestimmte Eigenschaften, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind.

Viele Forschungsgeräte sind eigentlich eine Kombination aus Potentiostaten, Galvanostaten und Impedanzanalysatoren. Oft werden diese Kombinationen einfach als Potentiostate bezeichnet und nicht als Potentiostat/Galvanostat.

Es gibt viele verschiedene Anwendungsbereiche für elektrochemische Messgeräte.

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Anwendungen in der Energieumwandlung

Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen, Solarzellen, Wasserstoffentwicklung und andere Anwendungen zur Energieumwandlung werden entwickelt, um mehr Ladung zu speichern, eine höhere Leistung zu erzielen usw. Daher werden häufig Ströme von 1 A oder mehr und Spannungen von über 6 V benötigt. Es gibt jedoch auch Knopfzellen, Biobrennstoffzellen und ähnliche Energiespeicher mit geringem Leistungsbedarf, bei denen 100 µA als Stromstärke ausreichen.

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Korrosionsforschung

Die Korrosionsforschung ist ein sehr weitreichendes Gebiet. Die Anforderungen reichen von der Messung von Strömen im nA-Bereich bis hin zu A. Die wichtigsten Einflussfaktoren auf den Strom sind die Oberfläche der Proben, das Material der Probe und das Vorhandensein von Beschichtungen. Zahnimplantate erfordern sehr geringe Ströme, während die Charakterisierung neuer Legierungen zu relativ hohen Strömen führen kann. Im Bereich der Korrosionsforschung finden Messungen oft außerhalb des Labors statt. Rohrleitungen oder Gebäude müssen vor Ort untersucht werden. Daher gibt es für Korrosionsforscher zahlreiche Zubehörteile, die es ihnen ermöglichen, elektrochemische Untersuchungen an zylindrischen oder flachen Objekten sowie an Abschnitten sehr großer Proben durchzuführen.

Zudem erfordert die Korrosionsforschung oft eine umfangreiche Aufbereitung von Rohdaten. Um beispielsweise den Polarisationswiderstand über die Zeit zu verfolgen, ist für jeden Messpunkt eine kleine lineare Sweep-Voltammetrie (LSV), auch als lineare Polarisation (LP) bekannt, über einen Bereich von etwa 20 mV erforderlich, gefolgt von einer linearen Anpassung; anschließend ergibt sich der Polarisationswiderstand aus 1 geteilt durch die Steigung. Dementsprechend ist Software mit automatisierter Datenverarbeitung im Bereich der Korrosionsforschung sehr beliebt.

 

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Elektroanalyse

Die Elektroanalyse liefert Antworten darauf, wie hoch die Konzentration einer bestimmten Substanz ist oder – in einfacheren Fällen – ob die Substanz überhaupt vorhanden ist. Die Elektroanalyse erfordert oft genaue Strommessungen im µA-Bereich und darunter. Viele der Anwendungen profitieren zudem von Messungen vor Ort. So ermöglicht beispielsweise die Messung der Wasserqualität direkt an einem Brunnen sofortiges Handeln, falls das Wasser nicht trinkbar ist. Potentiostate für die Elektroanalyse zeichnen sich durch hohe Genauigkeit bei niedrigen Strömen aus und sind tragbar.

Dies sind nur drei Gruppen für elektrochemische Anwendungen, aber es gibt noch weitere zu entdecken, wie beispielsweise die Elektrokatalyse, die Elektroabscheidung und die Photoelektrochemie.

Verschiedene Arten von Potentiostaten

Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums der Elektrochemie gibt es verschiedene Arten von Potentiostaten.

  • Meistens werden Einkanal-Potentiostaten verwendet. Diese Geräte sind für den Betrieb in einer einzigen Zelle ausgelegt.
  • Bipotentiostate oder kurz Bipots bieten eine zweite Arbeitselektrode, die dieselbe Referenz- und Gegenelektrode hat wie die erste Arbeitselektrode. Diese Potentiostaten sind praktisch, um zwei verschiedene Elektroden in derselben Zelle zu vergleichen, z. B. eine selektive Sonde und eine Blindprobe. Sie eignen sich auch für rotierende Ringscheibenelektroden (RRDE), bei denen eine ringförmige und eine scheibenförmige Elektrode gleichzeitig in derselben Zelle kontrolliert werden müssen.
  • Die Anzahl der Arbeitselektroden kann sogar noch größer sein. Ein Gerät mit mehreren Arbeitselektroden und nur einer Referenz- und einer Gegenelektrode ist ein Polypotentiostat.
  • Eine leistungsfähigere Option für mehrere Elektroden sind Mehrkanalpotentiostaten. Diese Geräte beherbergen mehrere Potentiostaten in einem Gehäuse. Sie können gleichzeitig oder zu unabhängigen Zeiten betrieben werden. Die Kanäle können die gleichen oder unterschiedliche Techniken durchführen, da jeder Kanal ein Potentiostat ist. Es gibt auch Mehrkanal-Potentiostate, die als Polypotentiostate verwendet werden können, d. h. mehrere Arbeitselektroden teilen sich eine Zähler- und eine Referenzelektrode. Zu diesem Thema haben wir einen ausführlichen Anwendungsleitfaden.
  • Die Nachfrage nach Messungen vor Ort führte zur Entwicklung tragbarer Potentiostaten. PalmSens bietet batteriebetriebene Potentiostaten mit Bluetooth-Verbindung in kompaktem Design an, die sich ideal für die Elektroanalyse eignen. Der große Strombereich in Kombination mit unserer benutzerfreundlichen Software macht den Potentiostat für die Korrosionsforschung attraktiv. Für den Bereich der Energieumwandlung bieten wir zudem Potentiostate an, die Ströme von bis zu 200 mA liefern können.