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2025-02-04T17:05:41Z

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Ein '''Potentiostat''' ist ein in der [[Elektrochemie]] eingesetztes [[elektrische Messtechnik|elektrisches Messgerät]]. Im Prinzip stellt es eine spezielle Bauform eines [[Regelverstärker]]s dar, welcher für die Messung über drei [[Elektrode]]n verfügt:
* eine [[Arbeitselektrode]]
* eine hoch[[ohm]]ige [[Referenzelektrode]] (oder auch Bezugselektrode)
* eine [[Gegenelektrode]].
Alle drei sind im Betrieb mit einem zu untersuchenden [[Galvanische Zelle|galvanischen Element]] verbunden. Dabei hält der Potentiostat eine [[elektrische Spannung]] zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode konstant (daher auch der Name: "statisches Potential"), und zwar über einen [[elektrischer Strom|elektrischen Strom]] zwischen der Gegen- und der Arbeitselektrode. Der Potentiostat misst die elektrische Spannung und den elektrischen Strom und gibt die Messwerte aus.<ref name="bank1"/>

Die Hauptanwendung für Potentiostaten sind Untersuchungen chemischer Reaktionen, welche in elektrochemischen Zellen ablaufen; die bekannteste chemische Reaktion ist die [[Elektrolyse]]. Des Weiteren werden Potentiostaten auch bei der Charakterisierung von [[Batterie (Elektrotechnik)|Batterien]] oder [[Brennstoffzelle]]n eingesetzt. Im weiteren dienen sie der Charakterisierung von Elektroden und [[Elektrolyt]]en ([[Festkörper]] und [[ionenleiter|ionenleitende]] Flüssigkeiten) z. B. in der [[Analytik]].

Neben Messungen mit konstantem Potential können Potentiostaten in der Regel auch verschiedene Signalverläufe wie Potentialrampen oder -[[Puls (Elektrotechnik)|puls]]e<ref name="pulse_experiment"/> ausführen oder mit externen [[Signalgenerator]]en gekoppelt werden und so z. B. für die [[Cyclovoltammetrie|zyklische Voltammetrie]] eingesetzt werden. Unter Verwendung einer überlagerten [[Wechselspannung]] können auch [[Impedanz]]<nowiki></nowiki>messungen durchgeführt werden. Hier soll im Speziellen die [[Elektrochemische Impedanzspektroskopie|elektrochemische Messung]] der Impedanz hervorgehoben werden.

[[Datei:Wiki Sascha Mahsa.png|mini|400px|Zyklovoltammogramme einer [[Graphit]]<nowiki></nowiki>elektrode im 5m[[Molarität|M]] Fe<sup>2+</sup>-/ 5mM Fe<sup>3+</sup>-Elektrolyten mit 1M [[KNO3]] als Hintergrundelektrolyt]]

Erste Arbeiten zum Aufbau eines Potentiostaten als Messgerät in der Elektrochemie gehen zurück auf A. Hickling im Jahr 1941.<ref name="hick1"/>

Ein in der Funktion verwandtes Messgerät ist der [[Galvanostat]], bei dem allerdings ein elektrischer Strom geregelt und durch die Einstellung einer elektrischen Spannung an der Gegenelektrode konstant gehalten wird.

== Wirkungsweise ==
[[Datei:Elektrochemische Dreielektrodenmessanordnung.svg|mini|hochkant=1.4|Elektrochemische Dreielektrodenmessanordnung]]
Bei einem Potentiostat wird das [[Elektrodenpotential]], d. h. die Spannung einer (Arbeits-)Elektrode bezüglich eines Referenzpunktes, auf einen gewünschten Wert reguliert. Hierzu wird der elektrische Strom zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode, auch Hilfselektrode genannt, durch den Potentiostaten so eingestellt, dass das gewünschte Potential erreicht wird. Eine dritte Elektrode, die Referenzelektrode, deren Potential in der [[Elektrochemische Spannungsreihe|elektrochemischen Spannungsreihe]] definiert ist, stellt dabei den Referenzpunkt zur Arbeitselektrode dar.<ref name="potentiostat_stability"/> Damit die Referenzelektrode ihr Potential unverändert beibehält, ist es erforderlich, dass durch sie selbst ''kein'' Strom fließt; dies wird durch einen sehr hoch[[ohm]]igen Eingang am Potentiostaten gewährleistet.

Eine weitere Besonderheit gegenüber anderen Regelverstärkern besteht darin, dass
* einerseits eine sehr hohe [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärkung]] gebraucht wird, um die [[Regelabweichung]] gering zu halten: Gefordert sind [[Genauigkeit]]en bei der [[Spannungsmessung]] an der Referenzelektrode von 1 m[[Volt|V]] oder darunter.
* Andererseits soll die Regelung sehr schnell erfolgen, typische Regel[[zeitkonstante]]n sind 10 [[µs]] oder weniger.
Die [[Regelstrecke]] zwischen Arbeits- und Gegenelektrode stellt somit eine Impedanz dar, mit einem [[Elektrischer_Widerstand #Ohmscher Widerstand|ohmschen Widerstand]] und einem [[Elektrische Kapazität|kapazitiven]] Anteil, die sich zeitlich schnell ändern kann. Potentiostaten müssen solch unbekannte [[Lastwiderstand|Lasten]] ausregeln können, ohne instabil zu werden, d. h. ohne in [[Oszillator|Schwingung]] zu geraten.

Potentiostaten können auch als [[Spannungsmessgerät]] genutzt werden und weisen im Vergleich zu [[Digitalmultimeter]]n einen wesentlich höheren [[Innenwiderstand]] auf: die nominelle [[Eingangsimpedanz]] eines Digitalmultimeters beträgt typischerweise 10 M[[Ohm|Ω]], die eines typischen Potentiostaten dagegen mit 10 GΩ ca. das Tausendfache.

Durch den Regelverstärker kann der Potentiostat weiters auch als [[Strommessgerät]] mit Innenwiderstand von 0 Ω verwendet werden, da dabei der Strom aktiv geregelt wird.

== Praktische Ausführung ==
[[Datei:Potentiostat3.png|mini|hochkant=1.4|Vereinfachte Prinzipschaltung eines Potentiostaten mit einem Operationsverstärker (CA)]]
Im Prinzip werden Potentiostaten mit einem [[Operationsverstärker]] (CA) realisiert, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt.

In den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers wird das gewünschte Potential als elektrische Spannung bezüglich [[Masse (Elektronik)|Masse]] gespeist, in den invertierenden Eingang das Potential der Referenzelektrode (Ref). Die Arbeitselektrode (WE) wird dann mit Masse verbunden, die Gegenelektrode (CE) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers.

Der Operationsverstärker vergleicht die Potentiale aus dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang. Sind diese nicht identisch, so wird der Ausgangsstrom so geregelt, dass der invertierende und nicht-invertierende Eingang immer auf demselben Spannungsniveau liegen, damit ist das gewünschte Potential eingeregelt.

Der sich ergebende Strom am Ausgang des Operationsverstärkers kann dann gemessen und neben dem Referenzpotential auf einer Anzeige angezeigt oder mittels [[Telemetrie]] zur weiteren [[Datenverarbeitung]] zur Verfügung gestellt werden.

== Reglerkontrolle ==
Der Operationsverstärker kann durch einen [[Regler]] ersetzt werden, welcher die Spannung <math>E_{\textrm k}</math> zwischen der Referenzelektrode und der Arbeitselektrode stabilisiert.<ref>{{cite journal | last1 = Siegert | first1 = M. | year = 2018 | title = A scalable multi-channel software potentiostat | language = en| url = https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2018.00131/full | journal = [[Frontiers in Energy Research]] | volume = 6 | pages = 131 | doi = 10.3389/fenrg.2018.00131 }}</ref> Dieser [[Algorithmus]] basiert auf einer [[Verhältnisgleichung]]:

:<math>\frac{U_{\textrm m}}{E_{\textrm k}} = \frac{U_{\textrm n}}{E_{\textrm {SW}}}</math>

mit
* der zuletzt gemessenen Spannung <math>U_{\textrm m}</math> zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode, also der [[Zellspannung]]
* dem zuletzt gemessenen [[Elektrochemisches Potential|elektrochemischen Potential]] <math>E_{\textrm k}</math>, also der Spannung zwischen der Referenz- und der Arbeitselektrode, die stabilisiert werden soll
* der errechneten nächsten Zellspannung <math>U_{\textrm n}</math> des Reglers, also dem Ergebnis der umgestellten Gleichung, s. u.
* dem [[Sollwert]] <math>E_{\textrm {SW}}</math>, also dem gewünschten Potenzial <math>E_{\textrm k}</math>.

Da es sich bei obiger Gleichung dem Prinzip nach um einen [[P-Regler]] handelt, sollte das Messintervall konstant bleiben. Der Algorithmus errechnet dann <math>U_{\textrm n}</math> so, dass <math>E_{\textrm k}</math> so nah wie möglich am Sollwert <math>E_{\textrm {SW}}</math> liegt:

:<math>\Leftrightarrow U_{\textrm n} = \frac{E_{\textrm {SW}} }{E_{\textrm k}} \cdot U_{\textrm m}</math>

Der Algorithmus erfordert den Einsatz folgender rechnergesteuerter Geräte: digitales [[Spannungsmessgerät]], [[Netzteil]] und ein [[Relais]], um die [[Polarität (Physik)|Polarität]] der Zellspannung <math>U</math> nötigenfalls umzuschalten.

== Ausführungsformen ==
Potentiostaten sind in vielen Ausstattungen kommerziell erhältlich.

Mit ''Rodeostat''<ref>{{Internetquelle |url=https://blog.iorodeo.com/rodeostat-product-guide/ |titel=Rodeostat Product Guide |werk=IO Rodeo Blog |hrsg=IO Rodeo |datum=2022-12-28 |sprache=en |abruf=2024-02-12}}</ref> und ''PassStat''<ref>{{Literatur |Autor=Mélicia Caux, Anis Achit, Kethsovann Var, Gabriel Boitel-Aullen, Daniel Rose, Agnès Aubouy, Sylvain Argentieri, Raymond Campagnolo, Emmanuel Maisonhaute |Titel=PassStat, a simple but fast, precise and versatile open source potentiostat |Sammelwerk=HardwareX |Band=11 |Datum=2022-04 |DOI=10.1016/j.ohx.2022.e00290 |PMC=9058825 |PMID=35509918 |Seiten=e00290 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2468067222000359 |Abruf=2024-02-12}}</ref> existieren vollständig als [[Open-Source-Hardware]] lizenzierte und nachahmbare Varianten.

Die meisten Geräte können mittlerweile mit einem [[Personal Computer|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 [[Messschreiber|Schreiber]] oder [[Speicheroszilloskop]] aufzuzeichnen.

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen den Modellen sind im Wesentlichen die verfügbaren Strom- und Spannungsbereiche:
* typische [[Stromstärke]]n bei nicht-industriellen Anwendungen liegen im Bereich von einigen [[Vorsätze_für_Maßeinheiten #Nano|n]][[Ampere|A]] bis einigen A.
* Die Potentialregelung liegt meist im Bereich ± 10 [[Volt|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 100 V angeboten.

Technische Unterschiede im eigentlichen potentiostatischen [[Regelkreis]]:
* Ist die Arbeitselektrode auf Masse bezogen (wie in der Abb. oben), so ergeben sich Vorteile durch einfachen Aufbau und hohe Stabilität gegen [[Schwingung]]en.
* Ist dagegen die Referenzelektrode auf Masse bezogen, so können mehrere Arbeitselektroden in einem gemeinsamen Gefäß unabhängig voneinander betrieben werden {{Nowrap|(''Bi-Potentiostat'')}}.

Technische Unterschiede in der Art der [[Strommessung]]:
* im einfachsten Fall im Gegenelektrodenkreis.
* im Arbeitselektrodenkreis
** misst man den Strom über einem [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]], so muss eine weitere [[Baugruppe#Elektronische_Baugruppe|Baugruppe]], nämlich ein Differenzbildner, den durch diese Strommessung hervorgerufenen Potentialfehler korrigieren; diese Art der Strommessung wird vorzugsweise für Geräte verwendet, die hohe Ströme liefern sollen.
** Einsatz eines Null-[[Ohm]]-Strommessgeräts. Diese Variante ist zwar technisch aufwendig, kann dafür aber Ströme bis in den Bereich [[Vorsätze_für_Maßeinheiten #Piko|p]]<nowiki></nowiki>A und darunter messen.

== Siehe auch ==
* [[Spannungsregler]]

== Weblinks ==
* [https://www.palmsens.com/potentiostat/ Einfache Erklärung zum Potentiostaten]
* [https://www.bank-ic.de/decms/knowhow/1_potetiostatengutgenutzt.html Hier gibt es Hinweise zur Benutzung von Potentiostaten als Potentiostat, Galvanostat, Stromquelle, Null-Ohm-Amperemeter u. a. m.]
* [https://www.gamry.com/application-notes/instrumentation/understanding-specs-of-potentiostat/ Erläuterungen zu Spezifikationen von Potentiostaten/]
* [https://www.palmsens.com/knowledgebase-article/purpose-of-a-sense-lead/ Erklärung zu 2-, 3-, oder 4-Elektrodensystem]

== Einzelnachweise ==
<references>

<ref name="bank1">{{Internetquelle | url = https://www.bank-ic.de/decms/downloads/potstad-2005-d.pdf | titel = Potentiostaten - Eine Einführung | autor = Rudolf Dölling | datum = 2004 | zugriff = 2018-03-27 }}</ref>

<ref name="hick1">{{Cite journal | volume = 38 | pages = 27–33 | last = Hickling | first = A. | title = Studies in electrode polarisation. Part IV.-The automatic control of the potential of a working electrode | journal = Transactions of the Faraday Society | language = en| year = 1942 | doi = 10.1039/TF9423800027 }}</ref>

<ref name="pulse_experiment"> {{Cite journal | last = Diesing| first=Detlef| title=Trapping of transient processes in aluminium oxide thin films in a voltage pulse experiment | language=en |work=Electrochemistry Communications |volume=4 |issue=1 | pages=1–4 |doi=10.1016/S1388-2481(01)00260-0 }}
</ref>

<ref name="potentiostat_stability"> {{Webarchiv|url=http://www.bio-logic.info/assets/app%20notes/Application%20note%204.pdf |wayback=20131023060505 |text=Potentiostat stability mystery explained}} (PDF-Datei; 127 kB).</ref>

</references>

[[Kategorie:Elektrochemie]]
[[Kategorie:Elektrotechnisches Messgerät]]

Potentiostat - Versionsgeschichte

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