Электрохимические методы анализа в ячейке микробного электролиза (МЕС)

[NickRadek]

Добрый день, задам здесь несколько вопросов, может кто-нибудь знает. До сего момента я никогда не занимался электрохимическими методами анализа, только на лабораторных работах, что было очень давно. Мой научрук поставил мне задачу создать ячейку микробного электролиза (МЕС) для выращивания бактерий, а я не знаю  практических моментов, только читал теорию. Заранее прошу простить за незнание некоторых терминов и неполное знание материала, я не спец, а новичок. Если увидите ошибку, можете меня поправить или же задать уточняющие вопросы.

 

Вопросы следующие:

1)      Мне нужно выявить в ней максимальное напряжение, при котором происходит отклик микробов. Ранее я читал, что для использования электрохимических методов необходимо для минимизации омических потерь подвести электрод сравнения (RE) близко к тому электроду, на котором будет меняться напряжение – рабочему (WE)，относительно противоэлектрода (СЕ). В моей ячейке я хочу использовать как анод в качестве рабочего , так и катод тоже. Но куда мне тогда вставить электрод сравнения? Посередине?  Но тогда омические потери наверняка будут высокими. Мне нужно узнать, как образуется биопленка, и на аноде и на катоде, поэтому хочу сделать 2 электрода рабочими попеременно. Если можно как-то выявить нужное  напряжение на аноде и катоде, как это сделать, куда и что нужно подключить? 

2)      Я прочел, что противоэлектрод (СЕ) по размеру должен быть больше, чем рабочий электрод （WE）， для благоприятной термодинамики ,а могу ли взять два одинаковых по размеру и материалу катод и анод? Я хочу взять углеродные щеточные (Carbon brush).

3)      Мне необходимо посмотреть не только при каком напряжении максимальный пик (CV), но и еще понять какой ток будет максимальным по времени (хроноамперометрия), это значит, что нужно будет провести анализ в разных режимах. Второй анализ будет, если я не ошибаюсь, в потенциостатическом режиме. А первый? И как происходит переключение между этими режимами на практике между собой при использовании электрохимической станции (electrochemical station)?

4)      Я правильно понимаю, что одна электрохимическая станция (electrochemical station) может работать в нескольких режимах (проводить несколько анализов – CV, LSV, DPV и т.д.), только нужно переключать?

5)      При использовании спектроскопии электронного импеданса (EIS) эквивалентная схема тока (equivalent circuit scheme) формируется автоматически? Можно ли ее посмотреть в программе?

6)      Самый важный вопрос – чего никак нельзя делать при работе с электрохимической станцией (electrochemical station)?

 

Очень надеюсь на помощь знающей аудитории.

 

 

[Электро-химик]

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

Мой научрук поставил мне задачу создать ячейку микробного электролиза (МЕС) для выращивания бактерий

Эээ, батенька, за что же это он вас так жёстко?

 

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

Посередине?  Но тогда омические потери наверняка будут высокими

Всё очень сильно зависит как от конструкции ячейки, так и от раствора электролита, находящегося в ячейке, и величины тока, проходящего между WE и CE. Чтобы оба (и анод и катод были по-очереди в роли WE, нужно либо вводить ещё один электрод (CE), либо их самих менять ролями. Последнее чревато тем, что на электроде, выступающем в роли CE напряжение не контролируется, что может вывести из строя биологическую систему.

 

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

2)      Я прочел, что противоэлектрод (СЕ) по размеру должен быть больше, чем рабочий электрод （WE）

Нет, это только для измерения по двух-электродной схеме (без RE).

 

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

А первый?

Потенциодинамический.

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

И как происходит переключение между этими режимами на практике между собой

Предварительно программируется прибор на последовательность экспериментов.

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

4)      Я правильно понимаю, что одна электрохимическая станция (electrochemical station) может работать в нескольких режимах (проводить несколько анализов – CV, LSV, DPV и т.д.), только нужно переключать?

Совершенно верно. Современные приборы (по-русски это потенциостат-гальваностат) можно запрограммировать прикладным software на последовательное выполнение разных экспериментов.

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

5)      При использовании спектроскопии электронного импеданса (EIS) эквивалентная схема тока (equivalent circuit scheme) формируется автоматически? Можно ли ее посмотреть в программе?

Нет, автоматически не формируется. Эквивалентную электрическую схему (ЭЭС) надо подбирать, руководствуясь априорными знаниями о процессах, протекающих в  электрохимической системе, и их соответствии элементам эквивалентной схеме (отдельное искусство). Например, C_dl - ёмкость двойного электрического слоя  (double layer), R_ct - сопротивление переноса заряда и т.д. После выбора ЭЭС в специализированном software (не всегда, кстати, поставляемым с прибором) проводится подбор параметров на основании полученных импедансных спектров.

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

6)      Самый важный вопрос – чего никак нельзя делать при работе с электрохимической станцией (electrochemical station)?

Соединять все кабели "накоротко" или в неправильном порядке. Сгорит.

[podlyinarod]

В 11.04.2024 в 12:10, NickRadek сказал:

Ранее я читал, что для использования электрохимических методов необходимо для минимизации омических потерь подвести электрод сравнения (RE) близко к тому электроду, на котором будет меняться напряжение – рабочему (WE)，относительно противоэлектрода (СЕ). В моей ячейке я хочу использовать как анод в качестве рабочего , так и катод тоже. Но куда мне тогда вставить электрод сравнения?

Нужно два электрода. Один максимально близко к аноду, второй - к катоду. Иначе никак, в промежутке происходит омическое падение напряжения на проводнике 2 рода - электролите, и оно зависит от температуры, концентрации веществ...

[Электро-химик]

В 11.04.2024 в 16:53, podlyinarod сказал:

Нужно два электрода. Один максимально близко к аноду, второй - к катоду. Иначе никак, в промежутке происходит омическое падение напряжения на проводнике 2 рода - электролите, и оно зависит от температуры, концентрации веществ...

В идеале - две полуячейки (half-cell), разделённых протонпроводящей мембраной типа Nаfion. В каждой полуячейке по 3 электрода: WE, RE и CE. В одной полуячейке WE- это анод MFC, в другой WE - это катод MFC.

[NickRadek]

А почему происходит потеря контроля напряжения в случае с попеременным переключением электродов (сменой ролей)? 

В 11.04.2024 в 19:02, Электро-химик сказал:

Чтобы оба (и анод и катод были по-очереди в роли WE, нужно либо вводить ещё один электрод (CE), либо их самих менять ролями. Последнее чревато тем, что на электроде, выступающем в роли CE напряжение не контролируется, что может вывести из строя биологическую систему.

 

Можете подсказать названия некоторых программ, на всякий случай, как раз по подбору таких схем ЭЭС?

В 11.04.2024 в 19:02, Электро-химик сказал:

После выбора ЭЭС в специализированном software (не всегда, кстати, поставляемым с прибором) проводится подбор параметров на основании полученных импедансных спектров.

 

Кстати, еще возникла пара вопросов: 

1) Потенциостат-гальваностат (Electrochemical station) нужно калибровать самому? Если да, то как осуществляется калибровка? 

2) Во многих англоязычных статьях для ускорения метаногенеза бактериями на электродах протонпроводящую мембрану не ставят,  раствор перемешивается с помощью мешалки. Если я ее не поставлю, чем это чревато?

В 11.04.2024 в 22:09, Электро-химик сказал:

В идеале - две полуячейки (half-cell), разделённых протонпроводящей мембраной типа Nаfion.

 

[Электро-химик]

В 12.04.2024 в 05:37, NickRadek сказал:

А почему происходит потеря контроля напряжения в случае с попеременным переключением электродов (сменой ролей)?

Потому, что в потенциостатиченском режиме через WE  и CE пропускается такой ток, чтобы  потенциал  WE относительно RE оставался постоянным. При этом потенциал на CE не контролируется и может достигать десятков вольт (зависит от конструкции прибора), что может загубить животину.

В 12.04.2024 в 05:37, NickRadek сказал:

Можете подсказать названия некоторых программ, на всякий случай, как раз по подбору таких схем ЭЭС?

Zsim, Zview и программы, идущие в комплекте с прибором.

В 12.04.2024 в 05:37, NickRadek сказал:

1) Потенциостат-гальваностат (Electrochemical station) нужно калибровать самому?

Нет, обычно поверка происходит на заводе. Но в целях самоуспокоения, можно спаять из резисторов и конденсаторов так называемую dummy cell, снять спектр EIS, отфитировать его в Zsim,  и сравнить полученные значения резисторов и конденсаторов с реальными из dummy cell.

[Электро-химик]

В 12.04.2024 в 05:37, NickRadek сказал:

Если я ее не поставлю, чем это чревато?

Вообще без понятия. Обычно, полупроницаемую мембрану ставят для того, чтобы анодное и катодное пространство не смешивались (типа аэробное/анаэробное, или  рН, или солевой состав разные).

[NickRadek]

Я планирую сделать несколько маленьких биореакторов  (систем микробного электролиза МЕС), какой Потенциостат-гальваностат (Electrochemical station) лучше всего выбрать, а именно какое минимальное количество каналов должно быть для подключения? Я хотел бы подключить 18 бутылок с электродами. Это вообще возможно? 

 

 

Изменено 13 Апреля, 2024 в 12:02 пользователем NickRadek

[NickRadek]

Или хотя бы подключить 9 бутылок с электродами?

[NickRadek]

И еще один вопрос, я  правильно понимаю, что через поляризационное сопротивление в EIS можно найти перенапряжение (overpotential), вместо использования графика Tafel?