Controelettrodo

Il controelettrodo (CE), noto anche come elettrodo ausiliario, è un componente essenziale negli esperimenti di elettrolisi che integra l’elettrodo di lavoro fornendo un potenziale di riferimento stabile. Il controelettrodo è normalmente utilizzato in metodi che comportano un flusso di corrente significativo attraverso l’elettrodo di lavoro ed è significativamente più grande dell’elettrodo di lavoro.

Secondo una regola empirica l’area superficiale elettrochimicamente attiva del controelettrodo dovrebbe essere almeno 10 volte maggiore rispetto all’elettrodo di lavoro in qualsiasi sistema. Le dimensioni molto più grandi del controelettrodo assicurano che la velocità del processo che si verifica sulla sua superficie espressa in termini di densità di corrente non limiti la velocità del processo che si verifica nell’elettrodo di lavoro.

Pertanto, una semireazione relativamente lenta al controelettrodo si verifica molto più velocemente di quella dell’elettrodo di lavoro perché più specie sono trasformate per unità di tempo a causa della superficie molto più grande disponibile per la semireazione al controelettrodo.

Quando si studia una riduzione all’elettrodo di lavoro, si verifica un’ossidazione al controelettrodo. Pertanto, quest’ultimo dovrebbe essere scelto in modo che sia il più inerte possibile. I controelettrodi possono generare sottoprodotti a seconda dell’esperimento, pertanto, spesso possono talvolta essere isolati dal resto del sistema tramite un compartimento.

Quando è utilizzato un singolo compartimento, le reazioni che si verificano sul CE devono essere considerate con grande attenzione poiché possono causare cambiamenti nella concentrazione dei reagenti in soluzione.

Proprietà del controelettrodo

Affinché un controelettrodo sia efficiente deve avere determinate proprietà tra cui:

elevata conduttività elettronica e una bassissima resistenza al trasferimento di carica interfacciale. Infatti se il controelettrodo non è un buon conduttore, ciò implica che può passare attraverso l’interfaccia al controelettrodo una scarsa quantità di corrente, che determinerà quindi la corrente misurata della cella elettrochimica. Pertanto, la corrente misurata fornirà informazioni sulle proprietà del controelettrodo e non sulla semireazione che si verifica sulla superficie dell’elettrodo di lavoro

eccellenti proprietà meccaniche come elevata resistenza, buona duttilità, bassa fragilità, durevolezza a lungo termine

elevata purezza infatti le impurità presenti anche in piccole quantità potrebbero essere rilasciate e interferire con i processi elettrochimici se il materiale del controelettrodo subisce una lenta degradazione

eccellente stabilità chimica alla corrosione su una vasta gamma di potenziali in soluzioni elettrolitiche acquose ai diversi valori di pH in cui sono studiati i processi elettrochimici

eccellente attività elettrocatalitica verso un’ampia gamma di reazioni elettrochimiche catodiche e anodiche  infatti al controelettrodo possono avvenire diverse reazioni elettrochimiche poiché il suo potenziale si adatta spontaneamente in relazione alla corrente che lo attraversa

bassi costi di acquisizione dei materiali e di produzione del controelettrodo

Materiali

Non molti materiali possiedono tutte queste proprietà pertanto, il loro numero per la costruzione di un controelettrodo è limitato. Il controelettrodo in filo di platino è ampiamente utilizzato nelle celle elettrochimiche standard per voltammetria ciclica, voltammetria a scansione lineare e altre tecniche elettrochimiche ed è preferito rispetto ad altri per la resistenza all’ossidazione, ai solventi e agli acidi.

Per la loro inerzia possono essere utilizzati, in alternativa al platino, altri metalli come rodio, palladio e oro. Oltre al platino spesso vengono utilizzati elettrodi inerti di grafite, nel qual caso i prodotti di reazione sono solitamente gas quali ossigeno o cloro all’anodo o idrogeno al catodo che possono essere rimossi facendo gorgogliare aria o azoto.

Nei sistemi chiusi come l’autoclave, è più difficile smaltire i prodotti di reazione gassosi, e potrebbe essere meglio utilizzare un elettrodo reattivo e intrappolare i prodotti di reazione vicino al controelettrodo utilizzando, ad esempio, utilizzando una membrana a scambio ionico tra il controelettrodo e l’elettrodo di lavoro.

In alcuni dispositivi possono funzionare come controelettrodo vari tipi di polimeri conduttivi come il Poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT), il polipirrolo (PPy) e la polianilina (PANI). In forma nanometrica questi polimeri sono facilmente depositati tramite processo di polimerizzazione chimica o elettrochimica  e sono facilmente modificati in nanostrutture allineate che potrebbero migliorare simultaneamente il trasporto di carica e l’area superficiale

Celle di Grätzel

Tra tutti i dispositivi fotovoltaici, si ritiene che le celle solari sensibilizzate da coloranti (DSSC) siano tra i dispositivi più promettenti, grazie al loro basso costo, ai metodi di fabbricazione semplici e alla natura ecologica.

Le celle solari sensibilizzate da coloranti dette anche celle di Grätzel inventate nel 1991 dal chimico tedesco Michael Grätzel e da Brian O’Regan offrono una promettente strada per una conversione efficiente dell’energia solare, grazie alla loro convenienza e facilità di produzione.

Diversi componenti come il fotoanodo a base di biossido di titanio/ossido metallico, il controelettrodo a base di platino/materiale composito e il colorante sensibilizzante insieme all’elettrolita sono i componenti di base che influenzano le prestazioni

Un componente cruciale nell’architettura delle celle solari sensibilizzate da coloranti è il controelettrodo, che svolge un ruolo fondamentale nel facilitare il trasferimento di elettroni e garantire la continuità del circuito. Il controelettrodo raccoglie l’elettrone da un circuito esterno e aiuta nella rigenerazione del colorante tramite ossidoriduzione dell’elettrolita, che influenza significativamente le prestazioni complessive dei dispositivi fotovoltaici.

A causa della loro stabilità e del basso costo sono stati studiati come materiali per la potenziale sostituzione del controelettrodo a base di platino diversi materiali come materiali carboniosi, polimeri conduttivi, ossidi e solfuri. Tuttavia anche i vetri conduttivi convenzionali o gli ossidi conduttori trasparenti (TCO) come l’ossido di stagno drogato con indio (ITO) o l’ossido di stagno drogato con fluoro (FTO) sono scelte costose che contribuiscono fino al 17% al costo netto del dispositivo.

Grazie all’elevata stabilità, all’elevata superficie, all’attività catalitica di riduzione e all’elevata stabilità, sono stati ampiamente studiati i materiali carboniosi, i polimeri conduttivi, i composti di metalli di transizione (TMC) e le leghe.

In particolare i materiali a base di carbonio sono materiali molto idonei per sostituire l’elettrodo di platino nelle celle solari sensibilizzate da coloranti a causa della loro elevata conduttività elettronica, ampia area superficiale, basso costo, rispetto dell’ambiente, resistenza e disponibilità.

In sostituzione del platino sono stati impiegati con successo come controelettrodi diversi materiali a base di carbonio come grafite, grafene, nerofumo, carbonio vetroso, nanotubi di carbonio, carbone attivo, nanocarbonio, fibre di carbonio, carbonio mesoporoso ben ordinato, carbonio prodotto da toner di stampante scartati, quantum dots di carbonio, fullerene, pasta di carbonio conduttiva, compositi di grafene, grafene drogato con azoto e fosforo, carbonio derivato da ligandi organici.

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