O que é potenciostato?

Figura 1: Fotografia de um Potenciostato/Galvanostato comercial.

Figura 2: Célula eletroquímica de três eletrodos.

História

O termo potenciostato foi introduzindo por A. Hickling em 1942 quando desenvolveu o primeiro circuito elétrico para controlar a diferença de potencial da, também desenvolvida por ele, célula eletroquímica de três eletrodos. Desde então, os potenciostatos se tornaram a base da eletroquímica e várias técnicas foram desenvolvidas em torno destes equipamentos com o passar dos anos. Apesar de o conceito permanecer o mesmo, os circuitos dos potenciostatos foram modificados com o tempo, principalmente após popularização dos amplificadores operacionais transistorizados, na década de 1960.

Funcionamento

Para controlar reações eletroquímicas o potenciostato deve controlar o potencial elétrico do eletrodo de trabalho (ver Figura 3) em relação ao eletrodo de referência. O equipamento mantém o potencial estável controlando a corrente elétrica que circula através da célula eletroquímica, entre o eletrodo de trabalho e um eletrodo auxiliar, conhecido como contra eletrodo. Esta corrente elétrica é medida e armazenada no computador a fim de se estudar o seu comportamento em relação, por exemplo, à variação do potencial ou com o passar do tempo.

Figura 3: Detalhe da célula eletroquímica.

Há outro modo de operação do equipamento chamado galvanostato, onde, ao invés do controle do potencial, o equipamento controla a corrente que passa pela célula eletroquímica e mede a diferença de potencial entre o eletrodo de trabalho e a referência.

O principio de funcionamento do Potenciostato é baseado num componente eletrônico muito conhecido chamado amplificador operacional ou OpAmp. Um amplificador operacional típico possui duas entradas e uma saída, onde o valor de potencial elétrico na saída é igual à diferença de potencial das suas entradas multiplicado pelo ganho de malha aberta do OpAmp que é muito grande, em geral maior que 10⁶ vezes (figura 4). O valor de potencial que se deseja aplicar à célula eletroquímica deve ser aplicado à entrada não inversora (V ₊ ) do OpAmp. Desta forma, se o potencial elétrico da célula eletroquímica, medido entre a referência e o eletrodo de trabalho e ligado à entrada inversora do OpAmp (V ₋ ), for diferente do potencial desejado, esta diferença será bastante amplificada e será aplicada ao contra eletrodo, que está ligado à saída V₀ do Amplificador Operacional. Esta grande diferença de potencial entre o eletrodo de trabalho e o contra eletrodo irá provocar uma corrente elétrica e de íons entre eles, alterarando a diferença de potencial entre o eletrodo de trabalho e a referência até que esta fique igual à desejada.

Figura 4: Esquema eletrônico simplificado de um potenciostato.

Como a saída V₀ do Amplificador Operacional é a seguinte:

V₀ = A * (V ₊ − V ₋ )

onde A é o ganho do amplificador.

Como V₀ está ligado ao contra eletrodo (V_CE), V ₊ é o potencial que se deseja aplicar (V_aplicado) e V ₋ é o potencial entre a referência e o eletrodo de trabalho (V_{Ref / ET}) temos:

V_CE = A * (V_aplicado − V_{Ref / ET})

ou

Como A é muito grande, V_CE / A é aproximadamente zero, temos:

ou

Desta forma, o potenciostato consegue manter a diferença de potencial entre o eletrodo de trabalho e a referência igual à diferença de potencial desejada.

Potenciostatos modernos conseguem manter potenciais com precisão de décimos de mili volt e medir correntes de dezenas de fento ampère. Além de manter potenciais em valores fixos, os equipamentos modernos também oferecem a possibilidade de gerar rampas (variações lineares) ou pulsos de potencial.