Потенциостаты: как проводить высококачественные измерения (Основы электрохимии)

Поскольку электрохимическая техника обладает высокой чувствительностью, следует принимать меры предосторожности, чтобы не допустить получения ложных или искаженных результатов из-за экспериментальных погрешностей.

 В данной статье приводятся рекомендации по повышению качества электрохимических измерений при использовании потенциостатов, начиная с монтажа вашей электрохимической установки, подсоединения интерфейсов и геометрии собственно камеры.

 

Оптимизация установки

• Защитите электрохимическую камеру

На качество измерений могут повлиять электромагнитные возмущения от электрических цепей, а также от других приборов, находящихся поблизости. Чтобы решить эту проблему, настоятельно рекомендуется использовать клетку Фарадея, особенно для измерений слабых токов ниже 10 µA. Клетку Фарадея (такую, как изображенная ниже BioLogic FC-45) необходимо заземлить для обеспечения эквипотенциального экрана.

 

Примечание: можно проверить наличие электромагнитных возмущений, замерив напряжение на разомкнутых цепях с высокой частотой дискретизации (200µs), затем выполнить преобразование Фурье, чтобы определить параметры частотного спектра шумов.

 

• Избавьтесь от шумов

Если нет возможности использовать клетку Фарадея, есть два других способа избавиться от зашумленных результатов:

• Усреднение

С помощью усреднения можно существенно снизить уровень шумов в данных. Стандартное отклонение сигнала после усреднения равно стандартному отклонению исходного сигнала, делённому на квадратный корень из количества усредняемых замеров.

Пример: если использование потенциостата дает зашумленные данные, следует в 4 раза увеличить количество точек замера, чтобы в два раза снизить уровень шума.

 

• Фильтрация

При невозможности применить усреднение, можно воспользоваться низкочастотной фильтрацией в безопасных /расширенных настройках программного обеспечения вашего потенциостата, такого, как EC-Lab.

Можно также провести фильтрацию при пост-обработке с помощью программного аналитического пакета.

 

Примечание: фильтр низкочастотного пропускания устраняет все частоты выше заданной. Только потенциостаты, основанные на технологии VMP-300, дают возможность аналоговой фильтрации (аппаратной).

 

• Качество электрода сравнения (RE)

Влияние качества электрода сравнения часто недооценивают. Поврежденный или изношенный электрод сравнения с сопротивлением выше 1 кОм может вызвать некорректные проявления при выполнении измерений на высоких (Мгц) частотах.

 

 

Обратите внимание на соединительные интерфейсы

• 2-точечные измерения в сравнении с 4-точечными

4-точечное подключение к электрохимической установке отделяет токонесущие провода от цепей измерителя напряжения. В результате ток отсутствует в измерительные цепях, а также в коннекторах, кабелях и соединительных интерфейсах (кабельные удлинители, держатели батарей и т.д.), что помогает избежать падения напряжения. При использовании такого типа соединения будет измеряться только потенциал камеры.

• Индуктивный эффект

В экспериментах с большими токами, более 10 А, электромагнитное поле вокруг проводов может вызвать индуктивный эффект. Из-за индуктивного воздействия можно переоценить контактное или внутреннее сопротивление электрохимической камеры. Для решения этой проблемы рекомендуем скрутить вместе токонесущие провода, чтобы скомпенсировать электромагнитное поле.

Примечание: добавив провода между кабелями камеры и собственно камерой, вы столкнетесь с индуктивным эффектом, а также увеличите контактное сопротивление. Сочетание этих явлений приведет к тому, что контактное и внутреннее сопротивления будут переоценены.

• Учитывайте конфигурацию камеры

Активное (омическое) падение напряжения, называемое также IR- падением, характеризует избыточный потенциал , вызванный потоком электронов в веществе. В электрохимии оно часто относится к потенциалу, индуцированному сопротивлением электролита, или к каким-либо другим интерфейсам, таким, как поверхностные пленки или соединители.

При вольт-амперных измерениях в данной системе величина приложенного потенциала при наличии омического падения напряжения определяется уравнением:

 

Активное падение напряжения может повлиять на форму кривых, полученных при измерениях и быть источником ошибок при анализе полученных результатов.

 

Примечание: активное падение напряжения можно скомпенсировать.

 

Проверяйте технические характеристики прибора

• Измерение постоянного тока

Потенциостат следует применять с учётом внутренних характеристик отдельных типов камер. В противном случае результаты эксперимента могут быть искажены. Например, важно убедиться, что прибор может точно обрабатывать ток ожидаемой величины.

• Измерение с помощью электронной стабилизации изображения (EIS)

Возможности EIS потенциостата определяются с помощью контурных диаграмм. Не забудьте убедиться, что импеданс камеры и желательные частоты соответствуют требуемой степени точности по контурной диаграмме.

 

 

Как общее правило, для ослабления паразитных явлений всегда лучше использовать соединительные провода как можно меньшей длины.