WO1999054719A1 - Method for influencing electro-chemical processes on electrodes by the application of an electric field - Google Patents

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/48Systems using polarography, i.e. measuring changes in current under a slowly-varying voltage

Definitions

  • the present invention relates to a method according to claim 1, with which electrochemical processes on electrodes can be influenced with an electric field.
  • the charge of the reactant changes according to the potential of the electrode, e.g. an anode leads to oxidation, i.e. to positive ions.
  • the resulting electrostatic interaction of the charge of the ion formed and that of the electrode causes a force that leads to spatial separation in the liquid medium.
  • the electrical resistance which is given by the electrolyte, is overcome. A current is flowing.
  • the resulting change in the ion transport speed away from or towards the electrode thus has an immediate influence on the measured current without changing the preset redox potential of the electrode.
  • FIG. 2 A further structure is shown in FIG. 2, in which the measuring cell is cylindrical and the electric field builds up correspondingly radially.
  • This method can also be used to create new analytical processes.
  • One draft provides for the current at the electrode to be kept constant with the electric field via a control system.
  • voltammetry a defined course of the electrolyte potential is scanned and the change in the resulting electric field is observed. Because the reactants in the electrolyte are oxidized or reduced at different potentials and thus contribute to the measured current, the electric field will also change in order to keep the current constant.
  • This method can be used in both qualitative and quantitative analysis.
  • control systems of the electric field which work, for example, galvanometrically or potentiometrically, can also provide information about the reaction kinetics taking place.
  • the electric fields could be generated or regulated (sine, triangular or rectangular courses, etc.) in such a way that they influence the double-layer area of the electrode in such a way that the charging currents can be manipulated.
  • the current can be reversed regardless of the redox potential. For example, given a redox potential, both the anions and the cathions can be determined by special measuring cycles.

Abstract

The present invention relates to a method for influencing electro-chemical processes on electrodes by the application of an electric field without modifying the pre-set red-ox potential of the electrode relative to the electrolyte.

Description

Beschreibung:Description:
Verfahren zur Manipulation elektrochemischer Vorgänge an Elektroden mittels eines überlagerten elektrischen FeldesProcess for manipulating electrochemical processes on electrodes by means of a superimposed electrical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , mit dem elektrochemische Vorgänge an Elektroden mit einem elektrischen Feld beeinflußt werden können.The present invention relates to a method according to claim 1, with which electrochemical processes on electrodes can be influenced with an electric field.
Der Stand der Technik erlaubt es heutzutage in der Voltammetrie in sehr schlecht leitenden Lösungsmitteln oder sogar Gasphasen Ströme von wenigen Femtoampere an sehr kleinen Diskelektroden von weniger als einem Mikrometer Durchmesser zu bestimmen.The state of the art nowadays allows voltammetry in very poorly conductive solvents or even gas phases to determine currents of a few femtoamperes on very small disk electrodes of less than one micrometer in diameter.
Neben den Prozessen von Adsorptions -, Desorptions -, als auch Oxidations- oder Reduktionsvorgänge an einer Elektrode, die für die Verantwortlichkeit des Stroms bei der Voltammetrie postuliert wurden, bildet sich ein großer Teil der Ströme in Überlagerung bei entsprechender Potentialänderung als Ladeströme (Coulombströme) aus. Bei Strommessungen mit sehr kleinen Elektroden ( kleiner 25 μm Raumdurchmesser ) ist ein vorteilhafter Nebeneffekt die starke Verminderung von Ladeströmen.In addition to the processes of adsorption, desorption, as well as oxidation or reduction processes on an electrode, which have been postulated for the responsibility of the current in voltammetry, a large part of the currents are superimposed as charging currents (Coulomb currents) with a corresponding change in potential . For current measurements with very small electrodes (smaller than 25 μm room diameter) an advantageous side effect is the strong reduction in charging currents.
Literatur:Literature:
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Voltammetrie mit geringem Bauteilaufwand, August 1997, Aktenzeichen 197 36224.9-35 Eine ergänzende Betrachtungsweise und genauere Untersuchungen, die diesbezüglich durchgeführt wurden, beschreiben die Vorgänge, die an einer Elektrode stattfinden und einen Strom messen lassen, wie folgt:Voltammetry with few components, August 1997, file number 197 36224.9-35 A supplementary view and more detailed investigations that have been carried out in this regard describe the processes that take place on an electrode and have a current measured as follows:
Zunächst werden durch ein vorgelegtes Potential an der Elektrode gegenüber dem Elektrolyten einige Reaktionspartner zur Oxidation oder Reduktion, d.h. zur Elektronenabgabe oder -aufnähme bewegt. Mit diesem Vorgang ist jedoch noch kein Strom geflossen.First of all, by means of a potential presented at the electrode with respect to the electrolyte, some reaction partners for oxidation or reduction, i.e. moved to donate or accept electrons. However, no current has flowed with this process.
Die Ladung des Reaktionspartners ändert sich entsprechend dem Potential der Elektrode, z.B. eine Anode führt zur Oxidation, d.h. zu positiven Ionen. Die daraus resultierende elektrostatische Wechselwirkung der Ladung des gebildeten Ions und der, der Elektrode bewirkt eine Kraft, die im flüssigen Medium zu eine räumlichen Trennung führt. Bei diesem Vorgang wird der elektrische Widerstand, der vom Elektrolyten vorgegeben wird, überwunden. Es fließt ein Strom.The charge of the reactant changes according to the potential of the electrode, e.g. an anode leads to oxidation, i.e. to positive ions. The resulting electrostatic interaction of the charge of the ion formed and that of the electrode causes a force that leads to spatial separation in the liquid medium. In this process, the electrical resistance, which is given by the electrolyte, is overcome. A current is flowing.
Dieser Ablauf läßt sich genauso für die Kathode beschreiben. Entsprechend dazu überwinden schon im Elektrolyten vorhandene Ionen den Widerstand auf dem Weg zur Elektrode, um ihre Ladung an der Elektrode zu neutralisieren oder entsprechend noch weiter oxidiert bzw. reduziert zu werden. Auch dieser Vorgang trägt zum fließenden Strom an der Elektrode bei.This process can also be described for the cathode. Correspondingly, ions already present in the electrolyte overcome the resistance on the way to the electrode in order to neutralize their charge at the electrode or to be further oxidized or reduced accordingly. This process also contributes to the current flowing at the electrode.
Da der Stofftransport von oder zur der Elektrode für den gemessenen elektrischen Strom verantwortlich ist und dieser von der Ladung der Elektrode und den Ionen abhängt, war das übertagerte elektrische Feld eine logische Schlußfolgerung um einen Einfluß auf den Stoff umsatz an der Elektrode zu nehmen. Um diese Methode umsetzen zu können, sind Elektroden im mikroskopischen oder symmetrischen Aufbau notwendig. Nur damit läßt sich ein homogenes, vor allem aber zum eigentlichen Feld (Elektrode - Elektrolyt) parallel ausgerichtetes elektrisches Feld bewerkstelligen. Zudem kann eine Metallspitze, in der sich elektrische Ladung sammelt, die Feldausrichtung und somit den Aufbau eines homogenen Feldes zur Mikro- oder sogar Nanoelektrode unterstützen. Kleine Elektroden liefern jedoch nur sehr geringe Ströme, so daß hierbei auf sehr kostspielige Verstärker zurückgegriffen werden mußte. Unterstützung bei dieser Entwicklung lieferte eine neue und zum Patent eingereichte Schaltung zur Messung kleinster elektrischer Ströme in der Voltammetrie mit geringem Bauteilaufwand (Akz 197 6 224.9 - 35).Since the mass transfer from or to the electrode is responsible for the measured electrical current and this depends on the charge of the electrode and the ions, the superimposed electrical field was a logical conclusion to influence the mass conversion at the electrode. To be able to implement this method, electrodes with a microscopic or symmetrical structure are necessary. This is the only way to achieve a homogeneous electric field, but above all parallel to the actual field (electrode - electrolyte). In addition, a metal tip, in which electrical charge collects, can support the field alignment and thus the establishment of a homogeneous field to the micro or even nanoelectrode. However, small electrodes only deliver very low currents, so that very expensive amplifiers had to be used. Support for this development was provided by a new, patent-pending circuit for measuring the smallest electrical currents in voltammetry with low component expenditure (Akz 197 6 224.9 - 35).
2 Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein isoliertes elektrisches Feld an einer Elektrode aufzubauen und so einzurichten, um einen Einfluß auf die elektrostatische Wechselwirkung, die zwischen der Ladung der Ionen und der Elektrode besteht, auszuüben. Die dadurch resultierende Änderung der lonentransportgeschwindigkeit von der Elektrode weg oder zur Elektrode hin nimmt damit unmittelbar einen Einfluß auf den gemessenen Strom ohne dabei das voreingestellte Redoxpotential der Elektrode zu verändern.2 It is therefore an object of the present invention to build up an insulated electric field on an electrode and to set it up so as to exert an influence on the electrostatic interaction which exists between the charge of the ions and the electrode. The resulting change in the ion transport speed away from or towards the electrode thus has an immediate influence on the measured current without changing the preset redox potential of the electrode.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, einem Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung von Reaktionspartnern im Elektrolyten oder des Elektrolyten selbst an einer Elektrode unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Dabei wird senkrecht zur Elektrodenoberfläche ein elektrisches Feld aufgebaut, welches parallel zum angenommen Feld der elektrostatischen Wechselwirkung (Elektrolyt - Elektrode) gerichtet ist.This object is achieved by the features of claim 1, a method for the electrochemical conversion of reactants in the electrolyte or the electrolyte itself on an electrode under the influence of an electric field. An electrical field is created perpendicular to the electrode surface, which is directed parallel to the assumed field of electrostatic interaction (electrolyte - electrode).
Der Einfluß des elektrischen Feldes konnte bisher nur an sehr kleinen glasummantelten Diskelektroden, deren Durchmesser 10 μm oder kleiner ist, beobachtet werden. Dabei wurden elektrische Ströme von wenigen Pico- oder Femtoampere in einem faradayschen Käfig gemessen. Zwischen der Elektrode und einer metallischen Spitze (Krümmungsradius < 50 μm), deren Abstand zueinander ca. 12 μm beträgt, wurde ein regelbares Hochspannungsfeld gelegt. Der Zwischenraum zwischen Spitze und Elektrolyt wurde mit einem stark elektrisch isolierenden Material von 10μm Stärke getrennt [Figur 1].The influence of the electric field has so far only been observed on very small glass-coated disk electrodes with a diameter of 10 μm or smaller. Electrical currents of a few pico- or femtoamperes were measured in a Faraday cage. A controllable high-voltage field was placed between the electrode and a metallic tip (radius of curvature <50 μm), the distance between which is approx. 12 μm. The gap between the tip and the electrolyte was separated with a highly electrically insulating material of 10 μm thickness [FIG. 1].
Es zeigte sich ein deutlicher Einfluß des elektrischen Feldes auf den gemessenen Strom.There was a clear influence of the electric field on the measured current.
Einen weiteren Aufbau zeigt die Figur 2, bei dem die Meßzelle zylindrisch und das elektrische Feld sich entsprechend radial aufbaut .A further structure is shown in FIG. 2, in which the measuring cell is cylindrical and the electric field builds up correspondingly radially.
3 Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund neuer Meß- und Synthesemöglichkeiten in der Elektrochemie:3 Further advantages and features of the present invention result from new measurement and synthesis options in electrochemistry:
Da der elektrische Strom an der Elektrode unabhängig vom Redoxpotential eingestellt werden kann, stehen damit neue Untersuchungsmethoden in Hinblick auf die stattfindende Kinetik sowie Möglichkeiten zur Beobachtung von Elektrodenvorgängen an.Since the electrical current at the electrode can be set independently of the redox potential, new investigation methods with regard to the kinetics taking place and possibilities for observing electrode processes are pending.
Zudem lassen sich mit dieser Methode neue analytische Verfahren kreieren. Ein Entwurf sieht vor, den Strom an der Elektrode mit dem elektrischen Feld über ein Regelsystem konstant zu halten. Zudem wird, wie bei der Voltammetrie, ein definierter Elektrolytpotentialverlauf durchgescannt und die Änderung des sich einstellenden elektrischen Feldes beobachtet. Dadurch, daß bei verschiedenen Potentialen die Reaktionspartner im Elektrolyten oxidiert bzw. reduziert werden und damit ihren Anteil am gemessenen Strom beitragen, wird sich auch das elektrische Feld ändern, um den Strom konstant zu halten. Dieses Verfahren kann sowohl in der qualitativen als auch quantitativen Analytik Anwendung finden.This method can also be used to create new analytical processes. One draft provides for the current at the electrode to be kept constant with the electric field via a control system. In addition, as with voltammetry, a defined course of the electrolyte potential is scanned and the change in the resulting electric field is observed. Because the reactants in the electrolyte are oxidized or reduced at different potentials and thus contribute to the measured current, the electric field will also change in order to keep the current constant. This method can be used in both qualitative and quantitative analysis.
Auch können andere Regelsysteme des elektrischen Feldes, die zum Beispiel galvanometrisch oder potentiometrisch arbeiten, Aufschluß über die stattfindende Reaktionskinetik geben. Ebenso könnten die elektrischen Felder so generiert oder geregelt werden (Sinus-, Dreiecks- oder Rechtecksveriäufe, u.a.), daß sie den Doppeischichtbereich der Elektrode derart beeinflußen, daß die Ladeströme manipuliert werden können. Mit diesem Verfahren kann der Strom unabhängig vom Redoxpotential umgekehrt werden. So lassen sich beispielsweise bei einem vorgelegtem Redoxpotential sowohl die Anionen als auch die Kathionen durch spezielle Meßzyklen bestimmen.Other control systems of the electric field, which work, for example, galvanometrically or potentiometrically, can also provide information about the reaction kinetics taking place. Likewise, the electric fields could be generated or regulated (sine, triangular or rectangular courses, etc.) in such a way that they influence the double-layer area of the electrode in such a way that the charging currents can be manipulated. With this method, the current can be reversed regardless of the redox potential. For example, given a redox potential, both the anions and the cathions can be determined by special measuring cycles.
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Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Verfahren, mit welchem elektrochemische Vorgänge an Elektroden mittels eines überlagerten elektrischen Feldes manipuliert werden können,1. Method with which electrochemical processes on electrodes can be manipulated by means of a superimposed electrical field,
dadurch gekennzeichnet, daß neben der vorgegebenen Potentialdifferenz zwischen Elektrolyt und Arbeitselektrode, ein zu diesem System elektrisches Feld überlagert wird,characterized in that in addition to the predetermined potential difference between the electrolyte and the working electrode, an electric field is superimposed on this system,
dadurch gekennzeichnet, daß der eine Pol des elektrischen Feldes die Elektrode selbst ist,characterized in that the one pole of the electric field is the electrode itself,
dadurch gekennzeichnet, daß der andere Pol des elektrischen Feldes elektrisch isoliert so nah an die Elektrode gebracht wird, daß noch ein Stoff austausch von fluiden Medien an der Elektrode möglich ist,characterized in that the other pole of the electric field is brought so close to the electrode in an electrically insulated manner that a fluid exchange at the electrode is still possible,
dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Elektrodenoberfläche ein elektrisches Feld so aufgebaut wird, welches parallel zum angenommen Feld der elektrostatischen Wechselwirkung (Elektrolyt - Elektrode) gerichtet ist,characterized in that an electric field is set up perpendicular to the electrode surface, which is directed parallel to the assumed field of electrostatic interaction (electrolyte electrode),
dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld über einen Regler in Abhängigkeit vom Potential der Elektrode, dem gemessenen Strom oder der Zeit gesteuert werden kann.characterized in that the electric field can be controlled by a controller depending on the potential of the electrode, the measured current or the time.
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