Введение

Аналитический метод в электрохимии

В электрохимии хроноамперометрия – это аналитический метод, в котором электрический потенциал рабочего электрода изменяется ступенчато, а результирующий ток от фарадеевских процессов, происходящих на электроде (вызванных изменением потенциала), регистрируется как функция времени. Функциональная зависимость между током и временем измеряется после приложения одиночного или двойного скачка потенциала к рабочему электроду электрохимической системы. Ограниченная информация об идентичности электролизуемых частиц может быть получена из отношения пикового тока окисления к пиковому току восстановления. Однако, как и в случае всех импульсных методов, хроноамперометрия генерирует высокие зарядовые токи, которые экспоненциально уменьшаются со временем, как в любой RC-цепи. Фарадеевский ток, обусловленный событиями переноса электронов и чаще всего являющийся интересующей компонентой тока, уменьшается в соответствии с уравнением Коттрелла. В большинстве электрохимических ячеек это уменьшение происходит намного медленнее, чем уменьшение зарядовых токов в ячейках без поддерживающего электролита. Чаще всего используется трехэлектродная система. Поскольку ток интегрируется в течение относительно длительных интервалов времени, хроноамперометрия обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум по сравнению с другими амперометрическими методами. Существуют два типа хроноамперометрии, которые обычно используются: хроноамперометрия с управлением потенциалом и хроноамперометрия с управлением током. Перед проведением хроноамперометрии с управлением потенциалом обычно проводят циклическую вольтамперометрию для определения потенциала восстановления анализируемых веществ. Как правило, хроноамперометрия использует электроды с фиксированной площадью, которые подходят для изучения электродных процессов сопряженных химических реакций, особенно механизма реакций в органической электрохимии.

Пример

Антрацен в дезоксигенизированном диметилформамиде (DMF) будет восстанавливаться (An + e− > An−) на поверхности электрода, поддерживаемого на определенном отрицательном потенциале. Восстановление будет ограничено диффузией, что приведет к уменьшению тока со временем (пропорционально градиенту диффузии, формирующемуся в процессе диффузии). Вы можете повторить этот эксперимент несколько раз, постепенно увеличивая потенциал электрода от низкого к высокому. (Между экспериментами раствор необходимо перемешивать.) Измеряя ток i(t) в фиксированный момент времени τ после подачи напряжения, вы заметите, что в определенный момент ток i(τ) перестает возрастать; это означает, что достигнут режим, ограниченный скоростью переноса массы. То есть, антрацен поступает к электроду настолько быстро, насколько позволяет скорость диффузии.

Контролируемый потенциал (общий) электролиз

Одним из применений хроноамперометрии является контролируемый потенциальный (объемный) электролиз, также известный как потенциостатическая кулометрия. В ходе этого процесса на рабочий электрод подается постоянный потенциал, и ток измеряется во времени. Аналит в одном окислительном состоянии окисляется или восстанавливается до другого окислительного состояния. По мере расходования аналита ток уменьшается до исходного уровня (стремясь к нулю). Этот процесс позволяет определить общий заряд (в кулонах), прошедший через реакцию. Общий заряд (значение n) рассчитывается путем интегрирования площади под кривой тока и применения закона Фарадея. Электрохимическая ячейка для контролируемого потенциального (объемного) электролиза обычно представляет собой двухкамерную (разделенную) ячейку, содержащую вспомогательный анод из углеродного стержня, отделенный от катодной камеры пористым стеклянным фильтром и пробкой электролита на основе метилцеллюлозы. Двухкамерная конструкция необходима для разделения катодной и анодной реакций. В качестве рабочего электрода для объемного электролиза может использоваться диск RVC с увеличенной площадью поверхности для повышения скорости реакции. Контролируемый потенциальный электролиз обычно используется в сочетании с циклической вольтамперометрией. Циклическая вольтамперометрия позволяет анализировать электрохимическое поведение аналита или реакции. Например, с ее помощью можно определить катодный потенциал аналита. Получив значение катодного потенциала аналита, контролируемый потенциальный электролиз может поддерживать этот постоянный потенциал для протекания реакции.

Двухступенчатая потенциальная хроноамперометрия

Двойная потенциальная хроноамперометрия (DPSCA) – это метод, при котором к рабочему электроду последовательно прикладывается потенциал, изменяющийся вперёд на определённое время и затем обратно на определённое время. Ток измеряется и отображается в зависимости от времени. Этот метод начинается с индукционного периода. В течение этого периода к электрохимической ячейке прикладываются начальные условия для достижения равновесия. Потенциал рабочего электрода поддерживается на начальном значении в течение заданного времени (обычно 3 секунды). По окончании индукционного периода, потенциал рабочего электрода изменяется до другого значения на определённое время. После завершения первого шага потенциал рабочего электрода возвращается к исходному значению, обычно к потенциалу, предшествующему шагу вперёд. Весь эксперимент завершается периодом релаксации. В течение этого периода, по умолчанию, потенциал рабочего электрода поддерживается на начальном значении ещё приблизительно 1 секунду. По окончании периода релаксации к ячейке прикладываются условия простоя после эксперимента, чтобы прибор мог вернуться в исходное состояние. После построения графика зависимости тока от времени формируется хроноамперограмма, которую также можно использовать для построения графиков Коттрелла.

Хронопотенциометрия

Применение хронопотенциометрии можно разделить на две части. Как аналитический метод, диапазон анализа обычно составляет от 10−4 до 10−2 моль/л, а иногда достигает точности 10−5 моль/л. При анализе в предельно низком диапазоне концентраций можно использовать меньшую плотность тока. Кроме того, для точного определения концентрации можно увеличить время перехода. В этой области определения хронопотенциометрия аналогична полярографии: волны, разделяемые в полярографии, также разделяются и в хронопотенциометрии. Хронопотенциометрия – эффективный метод изучения механизмов электродных процессов. Различные электроды демонстрируют разную зависимость между E и t на хронопотенциометрической кривой, где E – потенциал электрода в вольтах, а t – время реакции в секундах. Изучая эту зависимость между E и t на хронопотенциометрической кривой, можно получить информацию о механизмах электродных реакций, например, реакций перекиси водорода и щавелевой кислоты. Эксперимент по хронопотенциометрии можно провести за короткое время, что делает его хорошим методом для изучения адсорбционного поведения на поверхности электрода. Исследование хронопотенциометрической кривой электрода после адсорбции ионов железа подтверждает адсорбцию платины на ионах железа. Изучение хронопотенциометрической кривой платинового электрода, адсорбирующего йод, показывает, что адсорбция йода происходит в форме молекул йода, а не атомов.

Хронокулометрия

Хронокулометрия — это аналитический метод, принцип которого схож с хроноамперометрией, но в нём отслеживается зависимость между количеством электричества и временем, а не тока и времени. Хронокулометрия отличается от хроноамперометрии следующим: сигнал возрастает со временем, в отличие от убывания; процесс интегрирования снижает уровень шума, что приводит к получению гладкой гиперболической кривой отклика; и вклад заряда двойного слоя и адсорбированных веществ легко наблюдается.