【コラム】接地モードの電気化学実験における活用方法
2022/11/14
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一般的な電気化学実験装置において、作用電極は直接接地されません。これにより、電気化学研究において接地されたポテンショスタット/ガルバノスタット(PGSTAT)を使用することができます。しかし、電気化学者が本質的に接地された作用電極(例:水道管、コンクリート中の鉄筋など)を用いて実験する必要がある場合もあります。また、電気化学者が対極を接地する必要がある場合や、電気化学実験装置のセル本体を接地する必要がある場合もあります。本ブログ記事では、これらの異なる接地構成を取り上げ、それぞれに関連する用途について解説します。
定義:接地モードとフローティングモード
電気化学装置(この場合はPGSTAT)のアナログ電子回路の接地状態に応じて、「接地」モードまたは「フローティング」モードのいずれかで動作させることができます。これらのオプションにより、研究者は実験のためにさまざまな条件を作り出すことができます。接地された装置は、アナログ(または信号)電子回路がEARTHグラウンドに接続されています。フローティングの装置は、アナログ電子回路がEARTHグラウンドから切断されています(すなわちフローティングです)。
グラウンドとは、交換される電荷量に関わらず安定した電位値を持つ場所です。「接地点」とも呼ばれます。グラウンドの電位は0 Vと定義されます。建物内の電気配線網の場合のように、グラウンドは地球そのものである場合があります。地球との直接的な電気的接続は、建物の電気配線網に接続されると同時に地中に埋め込まれた1本以上の金属棒を介して行われます。これにより、建物全体が接地されます。
電子回路がフローティングとみなされる場合、それらは地球との直接的な電気的接続を持ちません。
非フローティング装置とフローティング装置
接地モードとフローティングモードがPGSTAT装置内でどのように実装されているかを定義するためには、PGSTATの電子回路がどのように機能するかについて簡単な概要を示す必要があります。
あらゆるPGSTATの電子回路は、それぞれ異なる役割を持つ2つの部分に分かれています:パワーエレクトロニクスとアナログ(または信号)電子回路です。これらは図1に示すように、トランスを介して互いに接続されています。
パワーエレクトロニクス(図1、赤)は電力網からの電力を管理し、一方でアナログ電子回路(図1、青)は電気化学セルまたは被試験デバイス(DUT)からの信号を管理します。
パワーエレクトロニクスは3つの端子で電源コンセントに直接接続されています。このうち2つは電流と電圧を伝えます。電圧の値(230 V、50 Hzまたは110 V、60 Hz)は、活線と中性線の間の電位差によって決まります。3つ目の端子はグラウンド線であり、EARTH接続を介して装置の金属筐体を電力網の接地点に接続します。安全上の理由から、この接地への直接接続は常に存在し、取り外すことはできません。
パワーエレクトロニクスとアナログ電子回路の間にはトランスが配置されており、電流と電圧をアナログ電子回路で使用される値に変換します。
アナログ電子回路は電気化学セルに接続されています。アナログ電子回路には、必要な様々な電位・電流値に応じた複数の接続が用意されています。このような接続は、各ペアに含まれる2本の線の間の電位差を定義するためにペアで存在します。アナログ電子回路にはアナロググラウンド(AGND)と呼ばれる接地点があり、すべての電位はこれを基準とします。さらに、AGNDスイッチはアナログ電子回路のグラウンドを装置の筐体に接続します。この接続は取り外すことが可能で、その場合アナログ電子回路の電位はEARTHグラウンドの0 Vの値とは異なる値でフローティングした状態になります。
したがって、PGSTATが非フローティングモードで動作する場合、アナログ電子回路のグラウンド(アナロググラウンド、AGND)は、装置の筐体を介してEARTHに接続されています。
装置がフローティングモードで動作する場合、アナログ電子回路のAGNDは装置の筐体には接続されず、EARTHに接続されます(図2)。
柔軟なグラウンド:作用電極、対極、またはセル本体
演算増幅器を用いたポテンショスタット回路は、参照電極に対して電極(通常「作用電極」と呼ばれます)に分極電位を印加するために日常的に使用されます。これにより、参照電極を厳密に非分極状態に保つため、参照電極に電流が流れることを回避するのに役立ちます。最終的に、必要な電流を供給するために第3の電極(すなわち「対極」)が追加されます。
接地されたポテンショスタット回路には、どの電極を接地電位に保つかに応じて、接地作用(GW)電極、接地対(GC)電極、または接地セル本体という3つの異なる基本構成が存在します[1]。
原理的には、電流は対極または作用電極のいずれかで測定することができます。電気的な観点からは、GW構成とGC構成はほぼ同一です。
しかしながら、電流測定回路のインピーダンスが電極のインピーダンスに加算されるため、電流を測定する電極を選択することはセルの精度に影響を及ぼします。これを考慮すると、GW構成がこれまでのところ最も頻繁に使用されてきた構成です。
VIONIC powered by INTELLOは、実験の接地状態を選択するオプションを備えています。異なるフローティングモードは、図3に示すようにINTELLOソフトウェア内で選択します。VIONICをNon-Floating(標準)からFloating(接地電極)に変換するために、追加のハードウェアは必要ありません。
接地構成の適用例
WE接地:
- 地球に接続された橋、建物、またはパイプラインの腐食
- 2台の独立したポテンショスタットを用いたDevanathan-Stachurskiセルにおける水素透過
- 適切な画像と信頼性の高い電気化学データを得るためのその場電子顕微鏡観察
CE接地:
- 2台の独立したPGSTATが最初に使用されたバイオリアクター
- 複数作用電極システム
- シールドされた作用電極
セル本体接地:
- オートクレーブ―安全上の理由から、またはオートクレーブ全体が電気化学セルの対極として使用されるため[2]
- トライボコロージョン装置―セル本体に取り付けられた金属試料に摩擦が加えられます
まとめ
異なる電極(例えば対極)を接地する能力は、典型的な作用電極構成に比べていくつかの利点をユーザーにもたらす可能性があります。例えば、接地された対極は、溶液または作用電極が電気的に絶縁されていない非従来型のシステムで使用することができます。Busoniらが報告しているように、「接地対配置は、電気化学作業においてほとんど知られておらず使用されていないものの、容量測定が関わる場合には常に接地作用配置よりも優先されるべきである」とされています[3]。
VIONICの選択可能なフローティング機能は、ユーザーにセル構成の接地状態を選択する柔軟性を与え、さらに大きな実験の可能性を提供します。したがって、電気化学実験は必要な正確な仕様に合わせて構成することが可能であり、PGSTATの電子回路によって制限されることはありません。
参考資料
[1] Yarnitzky, C. N. Part I. Design and Construction of a Potentiostat for a Chemical Metal-Walled Reactor. Journal of Electroanalytical Chemistry 2000, 491 (1), 160–165. DOI:10.1016/S0022-0728(00)00150-9
[2] Holm, T.; Dahlstrøm, P. K.; Burheim, O. S.; et al. Method for Studying High Temperature Aqueous Electrochemical Systems: Methanol and Glycerol Oxidation. Electrochimica Acta 2016, 222, 1792–1799. DOI:10.1016/j.electacta.2016.11.130
[3] Busoni, L.; Carlà, M.; Lanzi, L. A Comparison between Potentiostatic Circuits with Grounded Work or Auxiliary Electrode. Review of Scientific Instruments 2002, 73 (4), 1921–1923. DOI:10.1063/1.1463715
(Un)Grounded:電気化学研究における接地測定・フローティング測定とその応用
本ホワイトペーパーでは、電子機器(PGSTAT)および電気化学セルの接地に関する詳細を、さまざまな用途および実験例におけるフローティングPGSTAT使用の必要性とともに提示します。実験要件および電気化学セルの種類が広範に及ぶことから、ユーザーにさらなる汎用性をもたらす、選択可能なフローティング機能を備えた電気化学装置(VIONICなど)の使用が推奨されます。
