如何使用电化学实验中的接地模式
2022年11月14日
文章
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The ability to ground different electrodes may offer electrochemists some advantages over the typical working electrode setup. For example, the grounded counter electrode can be used in non-conventional systems where the solutions or the working electrodes are not isolated electrically. The selectable floating feature of VIONIC gives users the flexibility to choose the ground state of the cell setup, offering even greater experimental possibilities.
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在典型的电化学实验装置中，通常为恒电位/恒电流仪接地，而工作电极不直接接地。但在一些特殊应用场景时，电化学研究人员需要让工作电极接地进行试验（例如水管、混凝土中的钢筋等）。另外也有需要对电极接地或电解池接地的情况。通过这篇文章，我们将介绍这些不同的接地方式以及它们的相关应用。
定义：接地和浮动模式
根据电化学仪器模拟电子设备的接地状态，它可以在“接地”或“浮动”模式下运行。这些选项允许研究人员为实验创造各种条件。
无论交换的电荷量如何，大地都是具有稳定电势值的地方，接地电位定义为0V。接地可以是大地本身，就像建筑物中的电线网一样。通过一个或多个插入地面的金属杆与地面直接连接，同时也与建筑物的电线网连接。这可确保整个建筑接地。
当电子设备被认为是浮地时，它们与大地没有直接的连接。
非浮地与浮地仪器
为了说明两者的区别，有必要先来了解一下恒电位/恒电流仪是如何工作的。
电子设备通常分为两部分，每个部分都有不同的作用：电力电子设备和模拟（或信号）电子设备。它们通过变压器相互连接，如图1所示。
电力电子设备（红色）管理来自电网的电力，而模拟电子设备（蓝色）管理来自电化学电解池或被测设备（DUT）的信号。
电力电子设备直接与电源插座相连，有三个终端。其中两个携带电流和电压。电压值（230 V，50 Hz或110 V，60 Hz）由带电导线和中性导线之间的电位差决定。第三个终端是接地线，它通过接地连接将仪器的金属底盘与电网的接地点相连。为了安全起见，这种与地面的直接连接总是存在的，不能被移除。
一个变压器位于电源和模拟电子装置之间，它将电流和电压转化为模拟电子装置使用的数值。
模拟电子装置与电化学电解池相连。模拟电子装置有多个连接，可用于所需的不同电位和电流值。这种连接是成对的，以确定每对中包括的两根线之间的电位差。模拟电子装置有一个名为模拟地（AGND）的接地点，所有的电位都指向它。此外，AGND开关将模拟电子装置的地线连接到仪器的底盘。这种连接可以被移除，使模拟电子器件的电位通过与地线的0V值不同的数值浮动。
因此，当仪器在非浮地模式下工作时，模拟电子器件地（模拟地，AGND）通过仪器的底盘与大地相连。
当仪器在浮地模式下工作时，模拟电子装置的AGND没有连接到仪器的底盘，而是连接到大地（图2）。
灵活接地：工作电极、对电极或电解池
采用运算放大器的恒电位电路通常用于对一个电极（通常被称为 "工作电极"）施加相对于参考电极的极化电位。这有助于避免任何电流流经参考电极，确保其非极化。末尾，加入第三个电极（即 "对电极"）以提供所需的电流。
接地恒电位电路可以有三种不同的基本配置，即：接地的工作（GW）电极、接地的对（GC）电极或接地的电解池，这取决于需要哪个电极处于接地点电位[1] 。
原则上，电流可以在对电极或工作电极上测量。从电气角度来看，GW和GC的配置几乎是相同的。
然而，当选择GC配置时，将会影响电解池的准确性。考虑到这一点，到目前为止，GW配置一直是很经常使用的配置。
VIONIC 威欧 可以选择实验的接地状态。如图3所示，在INTELLO软件中可以选择不同的浮地模式。不需要额外的硬件就可以将VIONIC 威欧从非浮地（标准）模式转换为浮地模式。
接地设置的应用实例
WE接地：
- 桥梁、建筑物或与大地相连的管道的腐蚀问题
- 带有两个独立恒电位仪的Devanathan-Stachurski电解池中的氢渗透现象
- 原位电子显微镜，以获得充分的图像和可靠的电化学数据data
CE接地：
- 采用两个独立恒电位/恒电流仪的生物反应器
- 多工作电极系统
- 屏蔽工作电极
电解池接地：
- 高压釜--出于安全考虑，或是将高压釜作为对电极[2] 。
- 摩擦腐蚀设置--对连接在电解池上的金属样品施加摩擦力。
结论
与典型的工作电极设置相比，对电极或电解池接地能力可以为用户提供一些优势。VIONIC威欧可选择浮地功能使用户可以灵活地选择电解池的接地状态，提供了更大的实验可能性。因此，电化学实验可以按照所需的确切规格进行配置，而不会受到仪器电子装置的限制 [3] 。
参考文献
[1] Yarnitzky, C. N. Part I. Design and Construction of a Potentiostat for a Chemical Metal-Walled Reactor. Journal of Electroanalytical Chemistry 2000, 491 (1), 160–165. DOI:10.1016/S0022-0728(00)00150-9
[2] Holm, T.; Dahlstrøm, P. K.; Burheim, O. S.; et al. Method for Studying High Temperature Aqueous Electrochemical Systems: Methanol and Glycerol Oxidation. Electrochimica Acta 2016, 222, 1792–1799. DOI:10.1016/j.electacta.2016.11.130
[3] Busoni, L.; Carlà, M.; Lanzi, L. A Comparison between Potentiostatic Circuits with Grounded Work or Auxiliary Electrode. Review of Scientific Instruments 2002, 73 (4), 1921–1923. DOI:10.1063/1.1463715
接地与非接地：接地和悬浮测量及其在电化学研究中的应用。
在本书中，详细介绍了电子（PGSTAT）和电化学池接地的必要性，以及在不同应用和实验示例中使用悬浮PGSTAT的必要性。由于实验要求和电化学池种类的广泛变化，推荐使用具有可选择悬浮功能的电化学仪器（如VIONIC），这为用户带来了额外的多个功能性。
