Potentiostaten & Galvanostaten

Ein Potentiostat ist ein elektrochemisches Messgerät, das die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode regelt und gleichzeitig den daraus resultierenden Stromfluss zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode misst. Er hält ein konstantes Potential aufrecht und eignet sich daher besonders für die Untersuchung von Redoxreaktionen, Korrosionsprozessen und Prozessen, bei denen eine präzise Kontrolle des Potentials entscheidend ist.

Ein Galvanostat hingegen regelt den Zellstrom und nicht die Spannung. Dadurch eignet er sich für Anwendungen, bei denen ein konstanter Strom erforderlich ist, wie z. B. bei der Elektrolyse, der elektrochemischen (galvanischen) Abscheidung oder bei Lade- und Entladetests von Batterien.

Alle Messgeräte von Metrohm Autolab und Metrohm Dropsens vereinen sowohl potentiostatische als auch galvanostatische Funktionen in einem einzigen Gerät. Dadurch können Anwender je nach den Anforderungen ihres Experiments die am besten geeignete Betriebsart auswählen.

Application Note: Genereller Überblick über das Funktionsprinzip eines Potentiostaten/Galvanostaten (PGSTAT) - Aufbau einer elektrochemischen Zelle

Blog: Schnell und grundlegend: Einflussfaktoren für zuverlässige elektrochemische Messungen

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines geeigneten Potentiostaten die folgenden Kriterien:

1. Spannungs- und Strombereich
2. Workload
3. Tragbarkeit
4. Kopplung mit anderen Analysentechniken oder All-in-One-Lösung

Spannungs- und Strombereich

Berücksichtigen Sie den Spannungs- und Strombereich, den Sie für Ihre Messungen erwarten.

• Grundlegende Anforderung: Compliance-Spannung bis zu ± 10 V, max. Strom bis zu ± 100 mA: PGSTAT101, Autolab IMP, μStat-i 400 – Klein, leicht und kostengünstig
• Mittlere Anforderung: Compliance-Spannung ± 20 V, max. Strom ± 400 mA: PGSTAT204 – Klein und um ein zusätzliches Modul erweiterbar (z. B. EIS)
• Erweiterte Anforderung: Compliance-Spannung ± 30 V, max. Strom ± 2 A (aufrüstbar): PGSTAT302N – Mit einer Vielzahl von Modulen individuell konfigurierbar
• Höchste Anforderung: Compliance-Spannung ± 50 V, max. Strom ± 6 A: VIONIC – Höchste Spezifikation und mehrere Module in einem Gerät integriert

Workload

Wenn Sie mehrere Experimente gleichzeitig durchführen möchten, benötigen Sie möglicherweise einen Potentiostaten mit mehreren Kanälen.

Zur Produktreihe „Mehrkanal-Potentiostaten/Galvanostaten“

Zur Produktreihe „Tragbare Mehrkanal Potentiostaten/Galvanostaten“

Portabilität

Ein tragbarer Potentiostat kann in verschiedenen Situationen von Vorteil sein, in denen Mobilität, Außeneinsätze oder Messungen vor Ort erforderlich sind. Metrohm verfügt über ein Portfolio an tragbaren Potentiostaten sowohl für Einkanal- als auch für Mehrkanalmessungen.

Zur Produktreihe "Tragbare Einkanal-Potentiostaten/Galvanostaten"

Zur Produktreihe "Tragbare Mehrkanal-Potentiostaten/Galvanostaten"

Kombinierte Elektrochemie mit Geräten von Drittanbietern oder Spektroelektrochemie integriert in einem Gerät

Bei einem Potentiostaten wird der geerdete Modus verwendet, wenn weder die Elektroden noch das Zellgefäß eine direkte Verbindung zur Erde (Masse) haben. Dies ist der am häufigsten verwendete Modus für elektrochemische Experimente in Laboren (z. B. Forschung im Bereich der klassischen Elektrochemie, der Batterieforschung oder bei Korrosionstests im Labor usw.). Werden während der elektrochemischen Experimente weitere Geräte eingesetzt, können diese mithilfe eines Faraday-Käfigs geerdet werden.

Der Floating-Modus muss in den folgenden drei Fällen verwendet werden:

1. Wenn die Arbeitselektrode (WE) direkt mit der Erde verbunden ist (geerdete Arbeitselektrode): Korrosionstests an der Luft, Wasserstoffpermeation, In-situ-Elektronenmikroskopie
2. Wenn die Gegenelektrode (CE) direkt mit der Erde verbunden ist (geerdete Gegenelektrode): Bioreaktoren, Autoklaven
3. Wenn die gesamte Zelle direkt mit der Erde verbunden ist (geerdete Zelle): Tribokorrosion, Autoklaven

In allen oben genannten Fällen ist eine korrekte Strommessung nur dann möglich, wenn der Potentiostat im entsprechend richtigen Floating-Modus betrieben wird.

Selectable Floating bezeichnet die Möglichkeit eines Potentiostaten/Galvanostaten, den Massebezug (Ground-Bezug) des Zellaufbaus auszuwählen. Aufgrund der großen Vielfalt an experimentellen Anforderungen und elektrochemischen Zelltypen bietet ein elektrochemisches Messgeräts mit Floating-Funktion (wie bspw. VIONIC oder µStat-i multiX) dem Anwender zusätzliche Flexibilität.

Um eine elektrochemische hydrodynamische Messung durchzuführen und eine kontrollierte hydrodynamische Strömung bzw. Konvektion zu erzeugen, benötigen Sie:

• Eine Vorrichtung wie bspw. eine rotierende Scheibenelektrode (RDE) oder eine rotierende Ring-Scheibenelektrode (RRDE), bei denen die Elektrode mit konstanter Drehzahl rotiert, um den Stoffaustausch zu verbessern
• Ein Potentiostat mit Software zur Steuerung einer RDE oder RRDE.

Bei Metrohm bieten wir verschiedene Potentiostaten-Modelle an, mit denen über eine spezielle Software unsere RDEs und RRDEs betrieben werden können.

Um turbulente Rohrströmungsbedingungen im Labor für die elektrochemische Korrosionsuntersuchungen zu simulieren, ist der Einsatz einer rotierenden Zylinderelektrode (RCE) der gängigste und praktikabelste Ansatz. Der RCE-Aufbau erzeugt realistische turbulente Strömungsverhältnisse, wie sie im Inneren von Rohrleitungen auftreten, indem die Elektrode rotiert. Dadurch wird der Stofftransport verstärkt und die turbulente Strömung in realen Rohrleitungen nachgebildet.

Darüber hinaus ist ein Potentiostat mit spezieller Software erforderlich, der die Drehzahl der RCE steuern und regeln kann.

White Paper: Best Practice in der Korrosionsuntersuchung – Simulation von Rohrströmungsbedingungen mithilfe einer rotierenden Zylinderelektrode

Ja, es ist möglich, elektrochemische Messungen mit zwei oder mehr Arbeitselektroden in derselben Zelle durchzuführen. Je nach den Anforderungen Ihrer Untersuchung können Sie dabei zwischen verschiedenen Versuchsaufbauten wählen.

Wenn Sie im Rahmen Ihrer Forschung mit einer rotierenden Ring-Scheiben-elektrode (RRDE) oder einer einzelnen siebgedruckten Elektrode mit  zwei Arbeitselektroden arbeiten, benötigen Sie einen Bipotentiostaten. Metrohm bietet verschiedene Potentiostatenmodelle mit Bipotentiostat-Funktionalität an, darunter den PGSTAT302N und den PGSTAT204 sowie tragbare Modelle wie den STAT-I-400.

Falls Sie für Ihre Forschung mehr als zwei Arbeitselektroden in derselben elektrochemischen Zelle benötigen, stehen Ihnen weitere Lösungen zur Verfügung:

• Potentiostat mit multiBA: Für gleichzeitige Messungen an bis zu sechs Arbeitselektroden oder der STAT-I MULTI16 für gleichzeitige Messungen an bis zu 16 Arbeitselektroden.
• Potentiostat mit Multiplexer-Modul (MUX-SCNR16): für sequenzielle Messungen an bis zu 128 Arbeitselektroden

Zur Auswertung von EIS-Ergebnissen ist in der Regel eine spezielle Software mit Tools zum Fitten der Messdaten erforderlich. Dieser Prozess umfasst die flexible Erstellung eines Ersatzschaltbilds sowie das Fitten der berechneten (simulierten) Daten des Modells an die Messdaten. Durch diesen Fitting-Prozess ermittelt die Software die quantitativen Werte der einzelnen Elemente des Ersatzschaltbilds und stellt diese übersichtlich dar. Dadurch wird eine klare Interpretation des elektrochemischen Verhaltens des untersuchten Systems ermöglicht.

Bei Metrohm bieten die für Potentiostaten-verfügbaren Softwarelösungen INTELLO, NOVA und DropView 8400 all diese Funktionen, um eine präzise und zuverlässige Analyse von EIS-Daten zu gewährleisten.