Potentiostat

Ein Potentiostat ist ein in der Elektrochemie häufig benutztes Gerät. Im einfachsten Fall dient es als präzise Gleichspannungsquelle oder als Voltmeter oder Amperemeter. Gegenüber gewöhnlichen Gleichspannungsquellen hat ein Potentiostat folgende Vorteile:

• Eine gewünschte Spannung wird auch bei wechselnder Strombelastung - oft schwanken die Stromstärken um mehrere Dekaden, beispielsweise von 100 mA bis zu 1 µA - konstant gehalten.
• Die Ströme werden im vollen Messbereich präzise gemessen.
• Die Spannungsmessung im Potentiostat erfolgt praktisch stromlos; dies gilt auch dann, wenn der Potentiostat als Voltmeter genutzt wird.
• Er kann auch als Amperemeter dienen, wobei sein Innenwiderstand Null ist: Es fällt im Gerät keine Spannung ab, da der Strom aktiv geregelt wird.
• Ein wesentlicher Unterschied zu anderen Gleichspannungsquellen ist die Möglichkeit, das Gerät mit drei oder mehr Elektroden zu benutzen. Viele Messungen in der Elektrochemie werden mit drei Elektroden ausgeführt: Das Potential der zu untersuchenden Elektrode (Arbeitselektrode) wird gegenüber der Bezugselektrode gemessen, während der Strom zur Gegenelektrode fließt.

Elektrochemische Dreielektrodenmessanordnung

• Neben einer konstanten Spannung können Potentiostaten in der Regel auch Spannungsrampen ausführen, beispielsweise für die zyklische Voltammetrie.

Manche Potentiostaten können der Gleichspannung noch eine Wechselspannung mit geringer Amplitude überlagern, so dass eine Impedanzspektroskopie möglich ist.

Die Hauptanwendungen für Potentiostaten sind elektrochemische Untersuchungen. Dazu zählen nicht nur die Untersuchungen der chemischen Reaktionen, die durch den elektrischen Strom hervorgerufen werden (bei der Elektrolyse) und die einen Strom erzeugen (in Batterien oder Brennstoffzellen), sondern auch die Charakterisierung von Elektroden und Elektrolyten (ionenleitende Flüssigkeiten oder Festkörper), beispielsweise in der Analytik.

Wirkungsweise

Ein Potentiostat ist ein elektronischer Regelverstärker, mit dem das Potential, d.h. die Spannung einer Elektrode bezüglich eines Referenzpunktes, auf einen gewünschten Wert reguliert wird. Hierzu wird der Strom zwischen der zu regulierenden Elektrode (Arbeitselektrode) und einer Hilfselektrode (Gegenelektrode) durch den Potentiostaten so eingestellt, dass das gewünschte Potential erreicht wird. Eine dritte Elektrode (Referenzelektrode), deren Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe definiert ist, stellt dabei den Referenzpunkt dar ^[1].

Damit die Referenzelektrode ihr Potential unverändert beibehält, ist es erforderlich, dass durch sie selbst kein Strom fließt; dies wird durch den Potentiostaten gewährleistet.

Eine weitere Besonderheit gegenüber anderen Regelverstärkern (z.B. PID-Reglern) besteht darin, dass einerseits eine sehr hohe Verstärkung gebraucht wird, um die Regelabweichung gering zu halten: Gefordert sind Genauigkeiten von 1 mV oder darunter. Andererseits soll die Regelung sehr schnell erfolgen, typische Regelzeitkonstanten sind 10 µs oder weniger. Die Regelstrecke zwischen Arbeitselektrode und Gegenelektrode stellt ein komplexes Gebilde aus Widerständen und Kapazitäten dar, das sich selbst zeitlich schnell ändern kann. Potentiostaten müssen solch unbekannte Lasten ausregeln können, ohne instabil zu werden, d.h. in Schwingung zu geraten.

Praktische Ausführung

Einfache Potentiostaten kann man mit einem Operationsverstärker herstellen, in dessen nicht-invertierenden Eingang das gewünschte Potential als elektrische Spannung bezüglich Masse eingespeist wird. In den invertierenden Eingang wird das Potential der Referenzelektrode eingespeist. Die Arbeitselektrode wird dann mit Masse verbunden, die Gegenelektrode mit dem Ausgang des Operationsverstärkers. Eine Referenzelektrode wird an den invertierenden Eingang angeschlossen. Der Verstärker regelt den Ausgangsstrom so, dass der invertierende Eingang auf demselben Spannungsniveau liegt wie der nicht-invertierende Eingang, damit ist das gewünschte Potential eingeregelt.

Ausführungsformen

Potentiostaten sind in einer Vielzahl von Ausstattungen kommerziell erhältlich. Die meisten Geräte können mittlerweile mit einem PC gesteuert werden, einige Potentiostaten werden sogar als Einsteckkarten in den Messrechner eingesetzt. Viele Potentiostaten haben Analogausgänge, die es gestatten, Strom und Spannung mit einem Schreiber oder Speicheroszilloskop aufzuzeichnen. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen den Modellen sind im Wesentlichen die verfügbaren Strom- und Spannungsbereiche. Typische Stromstärken bei nicht-industriellen Anwendungen liegen im Bereich von einigen nA bis einigen A. Die Potentialregelung liegt meist im Bereich +/- 10 V, einige wenige Geräte können Potentiale bis etwa 50 V regeln. Die Gegenelektrodenspannung liegt bei üblichen Geräten zwischen +/- 10 und +/- 50 V, für schlecht leitende Elektrolyte werden Geräte mit Steuerspannungen oberhalb 100V angeboten.

Technische Unterschiede gibt es sowohl im eigentlichen potentiostatischen Regelkreis als auch in der Art der Strommessung. So kann z.B. entweder die Arbeitselektrode oder die Referenzelektrode auf Masse bezogen sein. Ist die Arbeitselektrode auf Masse bezogen, ergeben sich Vorteile durch einfachen Aufbau und hohe Stabilität gegen Schwingungen. Ist die Referenzelektrode auf Masse bezogen, kann man mehrere Arbeitselektroden in einem gemeinsamen Gefäß unabhängig voneinander betreiben (Bi-Potentiostat).

Die Messung des Stroms erfolgt im einfachsten Fall im Gegenelektrodenkreis. Misst man den Strom über einem Widerstand im Arbeitselektrodenkreis, so muss eine weitere Baugruppe (Differenzbildner) den durch dies Strommessung hervorgerufenen Potentialfehler korrigieren. Diese Art der Strommessung wird vorzugsweise für Geräte verwendet, die hohe Ströme liefern sollen. Eine Variante der Strommessung besteht im Einsatz eines Null-Ohm-Amperemeters im Arbeitselektrodenkreis. Diese Variante ist zwar technisch aufwendig, kann dafür aber Ströme bis in den Bereich pA und darunter messen.

Weblinks

• Anwendungsbeispiele und Einsatzgebiete für Potentiostaten
• Hier gibt es Hinweise zur Benutzung von Potentiostaten als Potentiostat, Galvanostat, Stromquelle, Null-Ohm-Amperemeter u.a.m.

Einzelnachweise