如何使用电化学实验中的接地模式
2022年11月14日
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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。
