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Zellen und Elektroden

Zellen

Baugröße und Konstruktion einer Zelle werden durch den Messzweck bestimmt: Wenn Sie mit großen Elektroden arbeiten, benötigen Sie im Regelfall entsprechende Lösungsvolumina. Wollen Sie schnelle Messungen zur Bestimmung kinetischer Parameter durchführen, dann brauchen Sie sehr kleine Arbeitselektroden, entsprechend kommen Sie mit kleinen Lösungsvolumina aus. Das ist jedoch nur eine grobe Faustregel.

Eine wirklich universell verwendbare Zelle, die allen Messzwecken gerecht wird, gibt es deshalb nicht. Dennoch werden sogenannte Universalzellen angeboten. Mit ihnen kann man - sofern man die Größe der Arbeitselektroden auf einige Quadratzentimeter beschränken kann, die meisten Messungen durchführen. Vor allem für langsame Messvorgänge sind sie grundsätzlich geeignet. "Universal" bezieht sich auf die Möglichkeit, verschiedene Arbeitselektrodenformen einzusetzen, die Zelle in weiten Grenzen temperieren zu können und genügend Öffnungen im Zellendeckel zu haben, damit man eine kontrollierte Gasatmosphäre einstellen kann und zusätzliche Messfühler wie Thermometer oder pH - Meter etc. einstecken kann.

 
Universalzelle, klassische Bauart mit abgetrennter Referenzelektrode

Elektrochemische Zelle, klassische Dreielektrodenanordnung mit Haber-Luggin-Kapillare und externer Referenzelektrode

Die Universalzelle besteht aus einem 0,5l - oder 1l - Glasgefäß mit Planschliffdeckel, der eine Messung unter Schutzgas oder Reaktionsgas ermöglicht. Der Deckel hat hinreichend viele Bohrungen mit Normschliffkegeln, in die die Elektroden, aber auch Thermometer, Gaseinleit- und Auslassrohre, ein Rückflusskühler und ggf. Hilfselektroden wie z.B. Einstabmessketten etc. eingeführt werden können. Zu Variationen der Referenzelektrodenanordnung siehe Abschnitt Elektroden.

Sollen hohe, gleichmäßige Stromdichten an den Elektroden erzeugt werden, dann ist die Anordnung von Arbeits- und Gegenelektrode sehr wichtig. Diese beiden Elektroden werden dann häufig planparallel oder konzentrisch angeordnet, um einen gleichmäßigen Feldverlauf zu erzielen.

Dürfen Produkte, die an der Gegenelektrode entstehen können, nicht in den Zellenraum gelangen, dann muss die Gegenelektrode in einem separaten Volumen durch eine Fritte vom Hauptelektrolyten abgetrennt werden.

Die Referenzelektrode steckt ist hier in einem separaten Gefäß und ist über eine Haber-Luggin-Kapillare mit Elektrolytbrücke angekoppelt. Alternativen zu der gezeigten Anordnung der Referenzelektrode werden im Kapitel Elektroden behandelt.


 

 


Zellen für schnelle Cyclovoltammetrie

CV-Zelle ZyklovoltammetrieSollen extrem schnelle Vorgänge gemessen werden, dann muss die Zelle möglichst klein sein, als Referenzelektrode wird man statt  einer hochohmigen Kalomelelektrode eine weniger stabile, jedoch niederohmige Bezugselektrode verwenden: In chloridhaltigen Lösungen etwa einen Silberdraht, der dann eine Ag / AgCl - Elektrode bildet, oder ein Pt Draht als Pseudo - Referenzelektrode.

Ebenso sind Zellen für analytische Zwecke sehr klein, damit die zu analysierenden Stoffmengen klein gehalten werden können. 

 Ein typisches Beispiel ist die sehr kleine Zelle für schnelle cyclovoltammetrische Messungen, in denen kleine Lösungsvolumina erwünscht sind. Zugunsten der Baugröße wird dann die Anzahl der Elektrodenanschlüsse und Durchführungen auf das notwendige Mindestmaß reduziert, weitmöglichst in den Abmessungen reduziert. Üblich sind Zellenvolumina zwischen ab 1 ml bis max 50 ml.

In nebenstehenden Beispiel ist eine CV-Zelle mit Haber Luggin-Kapilare gezeichne. Trotz der relativ kleinen Ströme bei der Cyclovoltammetrie ist es sinnvoller, mit Haber-Luggin-Kapillaren zu arbeiten anstatt die referenzelektrode beliebig zu plazieren und anschließend den IR-Drop zu kompensieren.

 

 

 

 


Zellen zur Untersuchung von Lochfraßkorrosion: Die AvestazellePrinzip Avestazelle, Quarfortzelle

Lochfraß an passiven Edelstählen ist stets von Spaltkorrosion begleitet. Will man diese ausschliessen, muss man auf eine Kunstharz - Isolierung der Elektrodenseitenflächen verzichten: Entweder wird dann die gesam-te Probe allseitig eingetaucht und mit Platin kontaktiert, oder man sorgt dafür, dass zwischen der Messfläche und der iso-lierten Fläche keine Spalte entstehen können. In der "Avesta" - Zelle geschieht dies dadurch, dass zwischen Elek-trodenfläche und Abdeckung ein künstlicher Spalt rings um die Messfläche erzeugt wird, der mit destilliertem Wasser mit extrem kleiner Strömungsgeschwindigkeit gespült wird.

 

  

Durchflusszellen

Schnitt durch eine Durchflusszelle

Durchflusszellen oder Strömungszellen werden analog zu rotierenden Elektroden (s.u.) verwendet, um den Einfluss strömender Medien auf Elektroden zu untersuchen. Insbesondere für den gleichzeitigen Angriff von Erosion und Korrosion sind Strömungszellen unverzichtbar. Ausserdem sind Strömungszellen als elektrochemische Reaktoren für die Modellierung technischer Produktionsanlagen im Einsatz. Wichtig an Strömungszellen ist die Sicherstellung der laminaren Grenzströmung.

 


Aufsetzzellen 

Bild Aufsetzzelle, Feldzelle für die Korrosionsmessung vor Ort

Will man Materialeigenschaften an großen Bauteilen elektrochemisch untersuchen, muss man sogenannte Aufsetzzellen benutzen. Einfache Beispiele dafür sind die Elektrolyse Aufsetzzellen, die zur Schichtdickenbestimmung an galvanisierten Blechen verwendet werden. Bei ihnen bildet der Zellenbecher aus Edelstahl die Kathode, das Untersuchungsgut ist die Anode. Für Korrosionsuntersuchungen an Bauteilen werden Zellen eingesetzt, die auch an schrägen oder senkrechten Wänden verwendet werden können.

Bild: Zelle für Korrosionsuntersuchungen im Feldeinsatz an einer senkrechten Rohrwand (Foto: Bank Elektronik)

Eine Variante davon bilden Mikro Aufsetzzellen, mit denen Oberflächen im Bereich weniger Quadratmikrometer charakterisiert werden können. Die zu untersuchende Oberfläche bildet wiederum die Arbeitselektrode, eine Glaskapillare, deren Mündung mit einer Silikonschicht überzogen ist, bildet die eigentliche Zelle. Die Gegenelektrode wird in der Regel zwischen Arbeitselektrode und Bezugselektrode angeordnet, dank der kleinen Ströme kann der Potentialfehler in Grenzen gehalten werden.


 Sensorzellen

Bild SensorzelleEin extremes Beispiel für Miniaturzellen bilden Sensorzellen, in denen die Elektroden mittels Siebdruck auf ein Substrat aufgebracht werden. Damit können Zellvolumina der Größenordnung Mikroliter realisiert werden.

 

 

 

 

 

 

 

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