Tsükliline voltamperomeetria

Tsükliline voltamperomeetria on elektrokeemiline analüüsimeetod, mille käigus rakendatakse tööelektroodile ajas lineaarselt muutuv pinge. Pinge muutmisel mõõdetakse tööelektroodil tekkiv elektrivool ning tulemused esitatakse graafiliselt. Kogu protsessi tulemuseks on voltamperogramm ehk graafik voolutugevuse sõltuvusest pingest.

Tsükliline voltamperomeetria on väga efektiivne analüüsimeetod, millega saab kiirelt ja vahetult uurida analüüdi redoksomadusi üle laia potentsiaalivahemiku. Seda kasutatakse oma efektiivsuse tõttu laialdaselt elektro-, bio-, anorgaanilise ja orgaanilise keemia valdkondades.

Analüüs annab infot uuritava analüüdi elektrokeemiliste omaduste kohta.

Meetodi kirjeldus

Põhimõte

Tsüklilise voltamperomeetria potentsiaali lainekuju

Voltamperomeetria põhimõte on mõõta elektroodil tekkiva voolutugevuse sõltuvust elektroodile rakendatud pingest. Tsüklilises voltamperomeetrias muudetakse rakendatud pinget ajas lineaarselt. Elektroodile rakendatakse kindel algpinge, mida hakatakse järk-järgult muutma, kuni rakendatud pinge on võrdne lõpp-pingega. Seejärel muudetakse pinget tagasi algväärtuseni, et tsükkel lõpuni viia. Taolisi pinge rakendamise tsükleid võib korrata vastavalt analüüsi vajadusele. Pinge muutmise kiirust nimetatakse laotuskiiruseks (V/s). Laotuskiiruse väärtused on üldiselt vahemikus 10 mV/s kuni 1 kV/s, kuid ultramikroelektroodidega on võimalik saavutada väärtuseid kuni 1 MV/s. Laotuskiirus hoitakse mõõtmiste käigus konstantsena. Rakendatud pinge piirväärtused E_alg ja E_lõpp ning laotuskiirus pannakse paika vastavalt eksperimendi vajadustele.

Elektroodiprotsessid

Pinge rakendatakse töö- ja võrdluselektroodi vahel. Voolutugevus mõõdetakse töö- ja abielektroodi vahel. Elektrivool tekib elektroodiprotsessi tagajärjel, mis saab toimuda alates kindlast pingeväärtusest. Elektroodiprotsessi käigus toimub elektronide üleminek uuritava analüüdi ja elektroodi vahel. Kui elektroodile rakendatakse piisavalt negatiivne pinge, siis algab elektronide üleminek elektroodilt analüüdile. Protsessi käigus analüüt redutseerub ning tekib katoodvool. Pinget uuesti tõstes tekib olukord, kus elektronide üleminek hakkab toimuma vastupidises suunas. Selle tõttu analüüt oksüdeerub ning tekib anoodvool. Elektronide ülemineku pingeväärtuse määrab analüüdi redokspaarile vastav Nernsti võrrand. Pinge väärtus sõltub tugevalt elektroodide materjalidest, kasutatavast lahusest ja katalüsaatorist.

Voolutugevuse sõltuvus pingest

Voolutugevus sõltub nii analüüdi kontsentratsioonist elektroodi pinnal kui ka rakendatud pingest. Redokspaari standardpotentsiaalile lähenedes hakkab elektronide ülemineku tõttu elektrivool suurenema, kuni see jõuab maksimumini. Mida kiiremini toimub elektronvahetus, seda vähemaks jääb elektroodi pinnale analüüti, millega protsess toimuda saaks, ning voolutugevus kahaneb. Analüüdi kontsentratsioon elektroodi pinnal kahaneb nullini, pärast mida määrab voolutugevuse analüüdi difusiooni kiirus lahusest elektroodile. Kogu elektronvahetuse kineetika tõttu tekivad voolutugevuse piigid, mis iseloomustavad redoksreaktsiooni toimumist. Reeglina valitakse mõõtmiste algpingeks selline väärtus, mille korral ei toimu ühtegi elektroodiprotsessi. Redokspaari moodustavate liikmete omavahelist suhet saab täpsemini kirjeldada Nernsti võrrandi abil.

Tulemused

Saadud katseandmed kantakse graafikule ning saadakse voltamperogramm – voolutugevuse sõltuvus rakendatud pingest. Graafikult ja katseandmetest, täpsemalt piikide kõrgustest, pingeväärtustelt ja poollainepotentsiaalidest, on võimalik välja lugeda informatsiooni uuritava analüüdi elektrokeemiliste omaduste kohta.

Tsüklilist voltamperomeetriat kasutatakse üldiselt analüüdi kohta kvalitatiivse informatsiooni saamiseks. Erivõtetega on võimalik saada ka kvantitatiivset informatsiooni.

Redokspaaride iseloomustamine

Tsüklilise voltamperomeetria meetodiga saab analüüsida ainult siis, kui analüüt osaleb valitud potentsiaalivahemikus mõnes elektronvahetuse protsessis. Tsükliline voltamperomeetria on lihtne meetod redokspaaride ja elektroodiprotsesside pöörduvuse uurimiseks.

Pöörduvad redokspaarid

Pöörduvale redokspaarile iseloomulik voltamperogramm, millel on näha kaks piiki

Elektrokeemias nimetatakse pöörduvaks sellist redokspaari, kus mõlemad osapooled vahetavad kiirelt elektroodiga elektrone.

Pöörduvate redokspaaride formaalne redokspotentsiaal on leitav kui anood- ja katoodpiikide potentsiaalide aritmeetiline keskmine:

$E^o=\frac{E_{pa}+E_{pk}}{2}$ ,

kus E^o on redokspaaride formaalne redokspotentsiaal (V), E_pa ja E_pk on vastavalt anoodpiigi ja katoodpiigi potentsiaalid (V).

Elektroodireaktsioonis üleminevate elektronide arvu on võimalik leida piikide lahknemisest:

$n\cong \frac{0,059}{E_{pa}-E_{pk}}=\frac{0,059}{\mathrm{\Delta }{E}_p}$,

kus n on elektroodireaktsioonis üleminevate elektronide arv, E_pa ja E_pk on piikide potentsiaalid (V). Aeglane elektronide ülekanne elektroodi pinnal suurendab piikide omavahelist kaugust.

Piigi maksimumi voolutugevus on arvutatav Randles-Sevciki valemiga:

$i_p=(2,69\times 10^5)n^{\frac{3}{2}}A{D}^{\frac{1}{2}}C{\nu }^{\frac{1}{2}}$,

kus i_p on piigi maksimumile vastav voolutugevus (A), n on üleminevate elektronide arv, A on elektroodi pindala (cm²), D on analüüdi difusioonikoefitsient (cm²/s), C on analüüdi kontsentratsioon (mol/cm³) ja ν on laotuskiirus (V/s). Randles-Sevciki valemist järeldub, et elektronide ülekanne elektroodi pinnal on kiire, kui voolutugevus on võrdeline laotuskiiruse ruutjuurega. Sellisel juhul on elektroodireaktsioon difusioonlimiteeritud protsess.

Ideaalse pöörduva süsteemi korral peavad piikide voolutugevused olema võrdsed:

$\frac{i_{pa}}{i_{pk}}=1$,

kus i_pa on anoodpiigi voolutugevus (A) ja i_pk on katoodpiigi voolutugevus (A).

Kirjanduses ja teadusartiklites eelistatakse voolutugevuse asemel voolutihedust:

$j=\frac{i}{A}$,

kus j on voolutihedus (A/m²), i on voolutugevus (A) ja A on elektroodi pindala (m²).

Mittepöörduvad redokspaarid

Elektrokeemias põhjustab mittepöörduvust elektronide aeglane ülekanne uuritava aine ja elektroodi vahel. Taolisi süsteeme iseloomustab ainult üks piik. Voltamperogrammil on sõltuvalt analüüdist näha ainult kas katood- või anoodpiik ning teine vastavalt puudub.

Suurem osa redokspaare on kahe ekstreemsuse vahepealsed variandid.

Tsükliline voltamperomeetria annab võimaluse hõlpsalt läbi viia redoksreaktsioon pärisuunalise pingemuutusega ning seejärel vastassuunalisel pingemuutusel uurida pöördreaktsiooni. Kogu protsessi kestvus võib olla sekundites ning ajaskaalat on võimalik mitme suurusjärgu võrra muuta mõõtmise parameetreid varieerides.

Elektronide ülekanne

Redoksreaktsiooni pöörduvus sõltub suurel määral elektronide ülekande kiirusest. Elektronide ülekande kiirus peab olema piisavalt suur, et rahuldada Nernsti võrrandit. Laotuskiiruse suurendamine põhjustab elektronide ülekande aeglustumist. Järelikult laotuskiiruse suurendamine võib mõningad pöörduvad protsessid muuta mittepöörduvateks.

Katsevahendite ülevaade

Tähtsaimad katsevahendid tsüklilises voltamperomeetrias on potentsiostaat, pinge ja voolutugevuse registraator ning elektroodid.

Potentsiostaat

Nüüdisaegsed potentsiostaadid hõlmavad pingegeneraatorit, pingesignaali elektrokeemilisele rakule edastajat ning elektrivoolu pingeks konverterit. Kogu süsteem rakendab elektroodidele pinget ning mõõdab tekkivat elektrivoolu. Potentsiostaat tagab tööelektroodi potentsiaali stabiilsuse.

Pinge ja voolutugevuse registraator

Registraator salvestab katseandmeid. Aeglaste laotuskiiruste korral kasutatakse XY registraatorit ning kiiremate laotuskiiruste puhul ostsilloskoopi. Katseandmeid töötleb edasi programm, millega on võimalik vahetult jälgida analüüsi käigus tekkivat voltamperogrammi.

Elektroodid

Tsüklilise voltamperomeetria mõõtesüsteemides on võimalikud kaks elektroodide konfiguratsiooni.

Kahe-elektroodses konfiguratsioonis on tööelektrood ja võrdluselektrood. Tööelektroodile rakendatakse potentsiaal ning mõõdetakse tekkivat elektrivoolu. Võrdluselektrood käitub kui lähtepunkt, mille suhtes tööelektroodi pinget mõõdetakse. Samuti on antud konfiguratsioonis võrdluselektrood voolukandjaks, kus elektronide vahetuse kiirus on vastupidine tööelektroodile.

Tänapäevastes süsteemides kasutatakse kolme-elektroodset konfiguratsiooni. Potentsiaal rakendatakse ja mõõdetakse analoogselt kahe-elektroodsele süsteemile. Kolmas lisaelektrood ehk abielektrood on antud konfiguratsioonis võrdluselektroodi asemel voolukandja. Elektroodide taoline asend tagab, et võrdluselektroodi ei läbi suured voolud, mis võivad selle potentsiaali muuta.

Tööelektrood on tsüklilise voltamperomeetria mõõtesüsteemis elektrood, millel toimub uuritav elektrolüüsiprotsess. Analüüsiks kasutatava tööelektroodi valik on lai ning sõltub analüüdist ja analüüsi keskkonnast. Tsüklilises voltamperomeetrias on levinud näiteks rippuva elavhõbedatilga elektrood (inglise keeles hanging mercury drop electrode ehk HMDE) ning plaatinast, kullast ja klaassüsinikust valmistatud tahked elektroodid.

Võrdluselektrood on elektrood, mille suhtes mõõdetakse tööelektroodi potentsiaali. Võrdluselektroodi valik sõltub väga tugevalt analüüsi keskkonnast. Mõõtmistel peab võrdluselektroodi asetama tööelektroodile võimalikult lähedale, et vältida suurt pingelangust lahuses. Seda saavutatakse Luggini kapillaari abil. Levinuimad võrdluselektroodid on näiteks hõbe-hõbekloriid- ja kalomelelektroodid.

Abielektrood on elektrood, mis käitub peamise voolukandjana. Abielektroodi kasutamisel on kogu süsteemis elektronide vahetamise kiirus tasakaalus, millega välditakse võrdluselektroodi polariseerumist. Abielektroodiks on tavaliselt suure pindalaga plaatinavõrk.

Elektroodid ühendatakse potentsiostaadiga ning asetatakse elektrokeemilisse rakku, mis on tavaliselt erilise kujuga klaasist nõu. Nõu täidetakse piisava koguse lahusega, mille valik sõltub uuritavast ainest. Samuti peab arvestama, et lahus mõjutab redoksprotsesside potentsiaale ning võrdluselektroodi valikut. Lahusesse peab olema lisatud elektrolüüti, mis tagab lahuse elektrijuhtivuse.

Rakendused

Tsükliline voltamperomeetria on lihtne, kiire ja levinud meetod analüütide elektrokeemiliste omaduste uurimiseks. Samas on tsüklilise voltamperomeetriaga raske süsteemi kvantitatiivselt uurida, mille saavutamiseks on soovitatav kasutada teisi meetodeid. Antud meetod on seevastu väga võimas viis süsteemi kvalitatiivsete omaduste uurimiseks, nagu näiteks uuritava süsteemi komponentide oksüdatsiooniastmed, elektroodiprotsesside kineetika, reaktsiooniproduktide stabiilsus, redoksreaktsioonide vaheühendite olemasolu.

Tsüklilise voltamperomeetriaga on võimalik määrata toiduainete antioksüdeerivaid omadusi.

Tavaliste makroelektroodide seatud piiranguid saab ületada ultramikroelektroode kasutades. Ultramikroelektroodid võimaldavad mõõta suure elektritakistusega keskkonnas, väga suurte laotuskiirustega ning mikroskoopilistes asukohtades.

Tsüklilist voltamperomeetriat kasutatakse laialdaselt katalüsaatormaterjalide katalüütiliste omaduste uurimiseks.