Como utilizar modos de aterramento em experimentos eletroquímicos

14/11/2022

Artigo

Em uma configuração experimental eletroquímica típica, o eletrodo de trabalho não está diretamente conectado ao terra. Isto permite o uso de um potenciostato/galvanostato aterrado (PGSTAT) para a pesquisa eletroquímica. Entretanto, há momentos em que os eletroquímicos precisam experimentar eletrodos de trabalho que estejam intrinsecamente aterrados (por exemplo, para tubulações de água, vergalhões em concreto, etc.). Existem também situações em que o eletroquímico precisa aterrar o contra-eletrodo ou aterrar o corpo celular de sua configuração eletroquímica. Esta postagem do blog destaca essas diferentes configurações de aterramento e discute suas aplicações relevantes.

Definições: modos aterrados e flutuantes

Dependendo do estado fundamental da eletrônica analógica de um instrumento eletroquímico (neste caso o PGSTAT), ele pode operar no modo «aterrado» ou «flutuante». Essas opções permitem que os pesquisadores criem uma variedade de condições para experimentação. A instrumento aterrado tem a eletrônica analógica (ou de sinal) conectado para o solo da TERRA. A instrumento flutuante tem a eletrônica analógica desconectado do solo da TERRA (ou seja, flutuando).

O solo é um local com valor potencial estável, independentemente da quantidade de carga trocada. É também chamado de «ponto de base». O potencial do solo é definido como 0V. O solo pode ser o próprio planeta Terra, como é o caso da rede elétrica dos edifícios. Uma ligação elétrica direta com a Terra é feita através de um ou mais postes metálicos inseridos no solo e também conectados à rede elétrica do edifício. Isso garante que todo o edifício esteja aterrado.

Quando os componentes eletrônicos são considerados flutuantes, eles têm sem conexão elétrica direta com a Terra.

Instrumento não flutuante vs. instrumento flutuante

Para definir como os modos aterrado e flutuante são implementados em um instrumento PGSTAT, é necessário apresentar uma breve visão geral de como funciona a eletrônica de um PGSTAT.

A eletrônica de qualquer PGSTAT é dividida em duas partes, cada uma com uma função diferente: a eletrônica de potência e a eletrônica analógica (ou de sinal). Eles são conectados entre si através do transformador, conforme mostrado na figura 1.

A eletrônica de potência (figura 1, vermelho) gerenciam a energia da rede elétrica enquanto a eletrônica analógica (figura 1, azul) gerenciam os sinais provenientes da célula eletroquímica ou do dispositivo em teste (DUT).

A eletrônica de potência é conectada diretamente à tomada elétrica com três terminações. Dois deles transportam a corrente e a tensão. O valor da tensão (230 V, 50 Hz ou 110 V, 60 Hz) é determinado pela diferença de potencial entre o fio energizado e o fio neutro. A terceira terminação é o fio terra que conecta o chassi metálico do instrumento ao ponto terra da rede elétrica através da conexão à terra. Por razões de segurança, esta ligação direta à terra está sempre presente e não pode ser removida.

Um transformador é posicionado entre a potência e a eletrônica analógica e transforma a corrente e a tensão em valores utilizados pela eletrônica analógica.

A eletrônica analógica está conectada à célula eletroquímica. A eletrônica analógica possui múltiplas conexões disponíveis para os diferentes valores de potencial e corrente necessários. Tais conexões vêm em pares para definir a diferença de potencial entre os dois fios incluídos em cada par. A eletrônica analógica possui um ponto de aterramento chamado terra analógico (AGND), ao qual todos os potenciais são referidos. Além disso, a chave AGND conecta o aterramento da eletrônica analógica ao chassi do instrumento. Esta conexão pode ser removida, deixando o potencial da eletrônica analógica flutuando através de valores que diferem do valor de 0 V do aterramento.

Portanto, quando o PGSTAT opera em modo não flutuante, o aterramento da eletrônica analógica (analog ground, AGND) é conectado ao terra (EARTH) através do chassi do instrumento.

Quando o instrumento opera em modo flutuante, o AGND da eletrônica analógica é não conectado ao chassi do instrumento, mas à Terra (Figura 2).

VIONIC desenvolvido pela INTELLO tem a opção de selecionar o estado fundamental do experimento. Os diferentes modos flutuantes são selecionados no software INTELLO conforme mostrado na Figura 3. Nenhum hardware adicional é necessário para converter o VIONIC de Não Flutuante (padrão) para Flutuante (eletrodos aterrados).

Conclusão

A capacidade de aterrar diferentes eletrodos (por exemplo, o contra-eletrodo) pode oferecer aos usuários algumas vantagens em relação à configuração típica de eletrodo de trabalho. Por exemplo, o contra-eletrodo aterrado pode ser usado em sistemas não convencionais onde as soluções ou os eletrodos de trabalho não são isolados eletricamente. Conforme relatado por Busoni et al., “a configuração do contador aterrado, embora pouco conhecida e utilizada em trabalhos eletroquímicos, deve ser preferida à configuração de trabalho aterrada sempre que uma medição de capacidade estiver envolvida” [3].

O recurso flutuante selecionável do VIONIC oferece aos usuários a flexibilidade de escolher o estado fundamental da configuração da célula, oferecendo possibilidades experimentais ainda maiores. O experimento eletroquímico pode, portanto, ser configurado de acordo com as especificações exatas necessárias e não é limitado pela eletrônica do PGSTAT.

Referências

[1] Yarnitzky, C. N. Parte I. Projeto e construção de um potenciostato para um reator químico de paredes metálicas. Jornal de Química Eletroanalítica 2000, 491 (1), 160–165. DOI:10.1016/S0022-0728(00)00150-9

[2] Holm, T.; Dahlstrom, P. K.; Burheim, O. S.; e outros. Método para Estudo de Sistemas Eletroquímicos Aquosos de Alta Temperatura: Oxidação de Metanol e Glicerol. Eletroquímica Acta 2016, 222, 1792–1799. DOI:10.1016/j.electa.2016.11.130

[3] Busoni, L.; Carlà, M.; Lanzi, L. Uma Comparação entre Circuitos Potenciostáticos com Trabalho Aterrado ou Eletrodo Auxiliar. Revisão de Instrumentos Científicos 2002, 73 (4), 1921–1923. DOI:10.1063/1.1463715