Potenziostato

Un potenziostato è un dispositivo elettronico che misura e controlla la differenza di potenziale tra un elettrodo di lavoro e un elettrodo di riferimento contenuti in una cella elettrochimica. Un potenziostato è essenzialmente un circuito amplificatore progettato per controllare celle elettrochimiche a due e tre elettrodi.

Può essere utilizzato, ad esempio, per impostare il potenziale di un elettrodo durante la misurazione della corrente prodotta secondo una modalità potenziostatica, o per impostare il flusso di corrente durante il monitoraggio del potenziale secondo una modalità galvanostatica.

In modalità potenziostatica, il potenziostato applica e controlla il potenziale e misura la corrente che scorre attraverso il sistema elettrochimico e controlla con precisione il potenziale del controelettrodo rispetto all’elettrodo di lavoro così da misurare la differenza di potenziale tra l’elettrodo di lavoro e l’elettrodo di riferimento mentre in modalità galvanostatica, il potenziostato esegue le misurazioni delle variazioni di potenziale a corrente costante

Elettrodi nel potenziostato

Un potenziostato richiede una cella elettrochimica con tre elettrodi in cui il misuratore di corrente è collegato tra il morsetto dell’elettrodo di lavoro e il morsetto del controelettrodo, mentre un voltmetro è collegato tra il morsetto dell’elettrodo di lavoro e il morsetto dell’elettrodo di riferimento.

Il sistema a tre elettrodi è fatto in modo che l’elettrodo di lavoro, l’elettrodo di riferimento e il controelettrodo siano tutti collegati alla cella elettrolitica. I tre elettrodi formano due circuiti, con il circuito formato dall’elettrodo di lavoro e dall’elettrodo di riferimento che ha una corrente molto piccola, utilizzata per misurare il potenziale dell’elettrodo.

L’altro circuito, formato dall’elettrodo di lavoro e dal controelettrodo, è utilizzato per misurare la corrente, costituendo il cosiddetto sistema a tre elettrodi e due circuiti comunemente utilizzato nei test. A causa della notevole corrente che passa attraverso il sistema, con conseguente caduta di tensione della soluzione e polarizzazione del controelettrodo, il potenziale dell’elettrodo di lavoro è difficile da determinare direttamente e accuratamente.

Questo è il motivo per il quale viene introdotto un elettrodo di riferimento che ha un potenziale altamente stabile e di cui è noto il suo potenziale. La corrente nel circuito dell’elettrodo di riferimento è minima e la polarizzazione e altre eventuali cadute di tensione possono essere ignorate. Di conseguenza, il potenziale dell’elettrodo di lavoro può essere ottenuto dall’elettrodo di riferimento, mentre la corrente viene misurata direttamente attraverso il circuito costituito da elettrodo di lavoro e controelettrodo.

Componenti del potenziostato

Oltre agli elettrodi è presente, nel potenziostato, un elettrometro ideato dal fisico britannico William Snow Harris che viene utilizzato per misurare una piccola carica elettrica o una differenza di potenziale elettrico tra due punti. Un elettrometro misura la differenza di tensione tra gli elettrodi di riferimento e di lavoro.

Un elettrometro ideale ha una corrente di ingresso pari a zero e un’impedenza di ingresso infinita. Il flusso di corrente attraverso l’elettrodo di riferimento può modificarne il potenziale. Le due caratteristiche dell’elettrometro sono la sua larghezza di banda e la sua capacità di ingresso.

La larghezza di banda dell’elettrometro caratterizza le frequenze in corrente alternata che l’elettrometro può misurare quando è azionato da una sorgente a bassa impedenza. La larghezza di banda dell’elettrometro deve essere superiore alla larghezza di banda degli altri componenti elettronici nel potenziostato.

Nel potenziostato è presente un convertitore corrente-tensione che misura i valori di tensione e corrente (alternate e/o continue) convertendoli in un segnale normalizzato in corrente o in tensione ai morsetti d’uscita, proporzionale al valore dell’ingresso.

L’amplificatore di controllo confronta la tensione misurata della cella con la tensione desiderata e spinge la corrente nella cella per forzare le tensioni a essere le stesse. Infine un Signal Circuit che collega tutte le parti, del potenziostato garantendo che giungano i segnali alle varie parti dello strumento

Applicazioni

È utilizzato principalmente in elettrochimica come nel caso della ciclovoltammetria, tecnica che fornisce una grande quantità di informazioni sulle proprietà elettrochimiche, cinetica, concentrazione e caratteristiche superficiali delle specie chimiche

Il potenziostato può essere utilizzato per monitorare la quantità di inquinanti nelle acque reflue, misurare la concentrazione di glucosio nel sangue per test medici o studiare il comportamento dei materiali utilizzati nelle batterie e nelle celle a combustibile.

I potenziostati svolgono un ruolo fondamentale nel progresso della ricerca e dell’industria in settori importanti quali: elettrochimica, trattamento delle acque reflue e stoccaggio dell’energia, tecniche che rappresentano sfide cruciali per la tecnologia e la società.

Il potenziostato è lo strumento tradizionalmente utilizzato nei laboratori specializzati in elettrochimica analitica e può essere utilizzato per caratterizzare specie o processi elettrochimici. Ad esempio i potenziostati sono utilizzati nella scienza dei materiali per aiutare a sviluppare rivestimenti e prevenire la corrosione perché consentono lo studio delle velocità di corrosione

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