Espectrometría de masas electroquímica diferencial
AN-EC-037
2026-02
es
Integración de potenciostatos Metrohm Autolab con espectrómetros de masas Hiden.
La espectrometría de masas electroquímica diferencial (DEMS) se utiliza para monitorizar especies gaseosas y volátiles durante reacciones electroquímicas in situ.
La espectrometría de masas electroquímica diferencial (DEMS) es una técnica analítica avanzada que integra un experimento electroquímico con la espectrometría de masas. Este método permite el análisis en tiempo real e in situ de reactivos, intermedios y productos electroquímicos gaseosos y volátiles. La DEMS es especialmente valiosa para el estudio de mecanismos y cinética de reacción en aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía, como pilas de combustible, baterías y procesos electrocatalíticos.
Esta nota de aplicación destaca tanto la técnica DEMS como la combinación de un espectrómetro de masas Hiden con un VIONIC para detectar y cuantificar la producción de hidrógeno durante un voltamograma cíclico (CV).
La conversión y el almacenamiento de energía se han consolidado como la principal aplicación de la electroquímica. Su aplicación es amplia e incluye ramas como la electrocatálisis, las pilas de combustible y la electrólisis.
En electrocatálisis, al evaluar nuevos electrocatalizadores para la reducción de CO₂, es fundamental cuantificar parámetros como la tasa de recambio, es decir, la cantidad de material producido en un tiempo determinado. Existen diversos métodos para determinar la tasa de recambio. La espectrometría de masas electroquímica diferencial (DEMS) ofrece un método sencillo e in situ para ello. La DEMS también puede extenderse a la espectrometría de masas electroquímica en línea (OEMS).
Un sistema típico de DEMS incluye una semicelda, una membrana nanoporosa y un espectrómetro de masas cuadrupolar. En ciencia de materiales (en particular, en estudios de cátodos), las semiceldas electroquímicas, que utilizan un único electrodo en una solución electrolítica, son comunes y resultan convenientes para la rápida evaluación de nuevos materiales. Sin embargo, proporcionan información limitada sobre la reacción in situ. DEMS mejora este proceso analizando el experimento de semicelda mediante espectrometría de masas, identificando cuantitativamente productos gaseosos o volátiles, incluyendo reactivos e intermedios. Al igual que otras técnicas acopladas (por ejemplo, espectroelectroquímica), DEMS correlaciona una segunda señal (en este caso, las corrientes de iones de masa del flujo del electrolito) con la corriente faradaica del electrodo, ofreciendo observaciones fiables y con resolución de masa de las reacciones electroquímicas.
El sistema consta de una celda DEMS, una bomba peristáltica y un depósito de electrolito. El electrolito es NaOH 1 mol/L. El contraelectrodo (CE) es de platino, el electrodo de trabajo (WE) es de oro depositado por pulverización catódica sobre una membrana de PTFE, y el electrodo de referencia es Ag/AgCl. Para obtener más información sobre la celda y el sistema, consulte la referencia [1]. El análisis de espectrometría de masas se realiza con el sistema HPR-40 OEMS para espectrometría de masas en línea. La electroquímica se gestiona mediante VIONIC con tecnología INTELLO. El procedimiento utilizado en INTELLO se muestra en la Figura 1.
Las señales de voltaje y corriente medidas por VIONIC se envían al software del espectrómetro de masas mediante la función de monitorización I y E de INTELLO (Figura 2). La señal de corriente se envía al software Hiden conectando la salida I del cable Hiden al puerto A-OUT1 de VIONIC. La señal de potencial se proporciona al software conectando la salida E del cable Hiden al puerto A-OUT2 de VIONIC. Las entradas auxiliares del software Hiden deben configurarse según el documento HA-131-524 de Hiden.
También se debe desactivar el ajuste automático de la corriente para garantizar que la corriente que se envía al software Hiden sea correcta. Mediante un cable de disparo, INTELLO puede activar el espectrómetro de masas para que comience el escaneo. El software Hiden utiliza un disparador de flanco descendente. Por lo tanto, el estado inicial/final del puerto DIO del potenciostato (Figura 3) antes de la medición debe configurarse en alto (1). Para ello se utiliza el pin 5.
El cable a medida utilizado en estos experimentos se muestra en la Figura 4. El conector de 25 pines se conecta al sistema HPR-40. El conector de 15 pines es para el VIONIC, y hay dos conectores BNC para las señales I y E, respectivamente.
Al inicio del procedimiento, el estado del pin 5 debe cambiarse a bajo (0). Esto se realiza con el comando Set DIO (Figura 5).
Todo el software Hiden permite recibir señales de activación, ya sea como evento de automatización de inicio/parada (MASsoft) o en la ventana de activación (QGA 2). Al recibir la señal de activación, el archivo de configuración seleccionado se iniciará automáticamente.
Se realizó voltametría cíclica (Figura 6) en el rango de -0,5 a -2 V, con un voltaje de inicio/parada de -1 V frente a AgCl. La velocidad de barrido fue de 50 mV/s. No se observan características discernibles en la voltametría cíclica hasta aproximadamente -1,3 V, donde se inicia la producción de hidrógeno mediante la reducción del electrolito acuoso.
En la Figura 7 se muestran las señales sincronizadas de masa, corriente y potencial en función del tiempo. No se observa ningún cambio perceptible en la señal de masa hasta alcanzar los -1,3 V. El aumento de la señal corresponde a (y confirma) la producción de hidrógeno a potenciales muy negativos.
Esta nota de aplicación muestra la integración exitosa del potenciostato Metrohm Autolab VIONIC con el espectrómetro de masas Hiden HPR-40. Esta configuración demuestra las potentes capacidades de la espectrometría de masas electroquímica diferencial (DEMS) para el análisis in situ y en tiempo real de reacciones electroquímicas, y permite una correlación precisa entre las señales electroquímicas y los datos con resolución de masas. Cabe destacar que todos los potenciostatos Autolab son compatibles con los dispositivos Hiden.
- Clark, E. L.; Bell, A. T. Observación directa del entorno de reacción local durante la reducción electroquímica de CO2. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (22), 7012–7020. https://doi.org/10.1021/jacs.8b04058.
Compartir la aplicación
Descargar PDF