سل الکتروشیمیایی سه الکترودی (Three-Electrode Cell)

سل الکتروشیمیایی سه الکترودی یکی از پرکاربردترین سیستم‌های آزمایشگاهی و صنعتی در زمینه مطالعه واکنش‌های الکتروشیمیایی، خوردگی، ذخیره انرژی و حسگرهای الکتروشیمیایی است. این نوع سل به دلیل دقت بالا در کنترل و اندازه‌گیری پتانسیل، در تحقیقات و طراحی سامانه‌های نوین باتری، پیل سوختی و الکترولیز بسیار اهمیت دارد. در این مقاله با ساختار، نحوه عملکرد، اجزا و کاربردهای سل سه الکترودی آشنا می‌شویم.

---

۱. مقدمه‌ای بر سل الکتروشیمیایی

سل الکتروشیمیایی سیستمی است که در آن واکنش‌های اکسایش و کاهش (Redox) تحت تأثیر جریان یا پتانسیل الکتریکی انجام می‌شوند. این سل‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• سل گالوانی (Galvanic Cell): تولیدکننده جریان الکتریکی از واکنش شیمیایی

• سل الکترولیتی (Electrolytic Cell): مصرف‌کننده جریان الکتریکی برای انجام واکنش شیمیایی

در بسیاری از آزمایش‌های الکتروشیمیایی، نیاز است پتانسیل الکترودها به‌صورت دقیق اندازه‌گیری و کنترل شود. در چنین شرایطی از سل سه الکترودی استفاده می‌شود، که نسبت به سل‌های دو الکترودی دقت و پایداری بسیار بالاتری دارد.

---

۲. ضرورت استفاده از سیستم سه الکترودی

در سل‌های ساده دو الکترودی، جریان بین دو الکترود برقرار می‌شود و پتانسیل نیز بین همین دو نقطه اندازه‌گیری می‌گردد. مشکل اصلی این روش، افت پتانسیل (IR drop) ناشی از مقاومت الکترولیت است که باعث خطا در اندازه‌گیری واقعی پتانسیل الکترود می‌شود.

برای حل این مشکل، الکترود مرجع به سیستم افزوده می‌شود. در نتیجه، سل سه الکترودی تشکیل می‌گردد که می‌تواند پتانسیل واقعی الکترود کاری را نسبت به مرجع، مستقل از عبور جریان، با دقت بالا اندازه‌گیری کند. این ساختار اساس تمام آزمایش‌های دقیق الکتروشیمیایی است.

---

۳. ساختار سل الکتروشیمیایی سه الکترودی

یک سل سه الکترودی معمولاً از سه الکترود و یک محلول الکترولیت تشکیل شده است. این سه الکترود عبارت‌اند از:

1. الکترود کاری (Working Electrode – WE)
   سطحی است که واکنش الکتروشیمیایی مورد نظر در آن انجام می‌شود. این الکترود معمولاً از فلزات نجیب مانند پلاتین، طلا، نقره یا از مواد کربنی مانند گرافیت و شیشه کربن ساخته می‌شود. در پژوهش‌های نانویی نیز از الکترودهایی با نانوذرات یا فیلم‌های نازک استفاده می‌شود.
   در این نقطه، یا اکسایش (از دست دادن الکترون) یا کاهش (دریافت الکترون) رخ می‌دهد.

2. الکترود مرجع (Reference Electrode – RE)
   وظیفه آن تأمین پتانسیل ثابت و پایدار برای مقایسه است. این الکترود جریان الکتریکی عبور نمی‌دهد و تنها برای اندازه‌گیری پتانسیل استفاده می‌شود.
   پرکاربردترین الکترودهای مرجع عبارت‌اند از:

   • الکترود کالومل اشباع (SCE)

   • الکترود نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl)

   • الکترود هیدروژن استاندارد (SHE)

3. الکترود کمکی یا مقابل (Counter Electrode – CE)
   این الکترود مسئول عبور جریان است تا بار الکتریکی در مدار بسته شود. جنس آن معمولاً از موادی است که در واکنش‌ها شرکت نمی‌کنند، مانند پلاتین یا گرافیت.

در وسط این سه الکترود، محلول الکترولیت یا نمونه مورد بررسی قرار دارد که حاوی یون‌های لازم برای انتقال بار است. اغلب سل‌ها دارای یک محفظه شیشه‌ای هستند و در برخی موارد از دیواره‌های جداکننده (مانند Nafion یا غشاهای یونی) برای جداسازی بخش‌ها استفاده می‌شود.

---

۴. نحوه عملکرد سل سه الکترودی

در این سل، پتانسیوستات (Potentiostat) یا گالوانوستات (Galvanostat) به عنوان منبع تغذیه و کنترل‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه پتانسیل بین الکترود کاری و الکترود مرجع را تنظیم کرده و جریان بین الکترود کاری و الکترود کمکی را اندازه‌گیری می‌کند.

به بیان ساده:

• پتانسیوستات اختلاف پتانسیل مورد نظر را بین WE و RE اعمال می‌کند.

• CE جریانی را تأمین می‌کند تا واکنش در WE به‌طور کنترل‌شده انجام شود.

• RE نقش مشاهده‌گر را دارد و در واکنش شرکت نمی‌کند.

این سیستم باعث می‌شود که بتوان واکنش‌های الکتروشیمیایی را با دقت بسیار بالا کنترل، بررسی و ثبت کرد. به همین دلیل تقریباً تمام آزمایش‌های الکتروشیمیایی دقیق (مانند ولتامتری چرخه‌ای، کرونوآمپرومتری و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی) با سل سه الکترودی انجام می‌شوند.

---

۵. انواع الکترودهای مورد استفاده

انتخاب نوع الکترودها بسته به نوع واکنش، محیط الکترولیت و هدف آزمایش انجام می‌شود:

• الکترودهای کاری متداول:
  پلاتین، طلا، نقره، گرافیت، شیشه کربن، نیکل، یا فیلم‌های نازک از مواد نیمه‌هادی مانند اکسید قلع دوپه‌شده (FTO).

• الکترودهای مرجع:
  SCE و Ag/AgCl برای محیط‌های آبی، و الکترودهای شبه‌مرجع برای محیط‌های غیرآبی (مانند Ag wire در محلول آلی).

• الکترودهای کمکی:
  سیم پلاتین، ورقه کربنی یا توری نیکل که مقاومت پایین و پایداری بالا دارند.

برای افزایش دقت، گاهی سل به گونه‌ای طراحی می‌شود که محل اتصال RE بسیار نزدیک به سطح WE قرار گیرد تا افت پتانسیل بین دو نقطه به حداقل برسد.

MSDS-of-PAC

---

۶. پارامترهای مؤثر در عملکرد سل

چندین عامل می‌توانند بر رفتار و نتایج سل سه الکترودی تأثیر بگذارند:

1. دمای محلول: واکنش‌های الکتروشیمیایی به شدت وابسته به دما هستند.

2. غلظت یون‌ها: غلظت الکترولیت باید کافی باشد تا مقاومت محلول کاهش یابد.

3. پایداری الکترود مرجع: تغییرات در پتانسیل مرجع موجب خطا در نتایج می‌شود.

4. نظافت و آماده‌سازی سطح الکترود کاری: آلودگی سطح باعث انحراف نتایج خواهد شد.

5. جریان همرفت یا هم‌زدن محلول: برای کنترل انتقال جرم استفاده می‌شود.

در بسیاری از آزمایش‌ها، سل سه الکترودی درون یک محفظه کنترل‌شده (مانند محفظه گاز بی‌اثر یا دمای ثابت) قرار می‌گیرد تا خطاها به حداقل برسند.

---

۷. روش‌های اندازه‌گیری با سل سه الکترودی

سل سه الکترودی امکان اجرای روش‌های مختلف الکتروشیمیایی را فراهم می‌کند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ولتامتری چرخه‌ای (Cyclic Voltammetry – CV):
  برای بررسی رفتار اکسایش و کاهش مواد، تعیین پتانسیل‌های استاندارد و مطالعه سینتیک واکنش‌ها.

• کرونوآمپرومتری (Chronoamperometry):
  در این روش تغییر جریان در زمان ثابت بررسی می‌شود تا اطلاعاتی درباره انتقال جرم و پایداری سطح به دست آید.

• طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS):
  جهت بررسی مقاومت، ظرفیت خازنی و فرایندهای سطحی در سیستم.

• ولتامتری خطی و پله‌ای:
  برای تعیین سرعت واکنش‌ها و تشخیص ترکیبات فعال در محلول استفاده می‌شود.

---

۸. کاربردهای سل سه الکترودی

سل الکتروشیمیایی سه الکترودی در حوزه‌های علمی و صنعتی بسیار گسترده‌ای کاربرد دارد، از جمله:

• مطالعات خوردگی:
  بررسی نرخ خوردگی فلزات و عملکرد بازدارنده‌های خوردگی.

• توسعه حسگرهای الکتروشیمیایی:
  اندازه‌گیری غلظت گلوکز، یون‌ها، آلاینده‌ها و ترکیبات زیستی.

• پژوهش در زمینه باتری‌ها و ابرخازن‌ها:
  ارزیابی عملکرد الکترودهای جدید در سیستم‌های ذخیره انرژی.

• فرآیندهای الکترولیز و تولید هیدروژن:
  بررسی کارایی کاتالیزورهای اکسایش آب و کاهش اکسیژن.

• الکتروسنتز و تصفیه آب:
  انجام واکنش‌های آلی الکتروشیمیایی و حذف آلاینده‌ها از محلول‌ها.

این گستردگی کاربرد باعث شده سل سه الکترودی یکی از ابزارهای کلیدی در پژوهش‌های دانشگاهی و صنعتی باشد.

---

۹. طراحی و ساخت سل سه الکترودی

سل‌های سه الکترودی به‌صورت تجاری در مدل‌های متنوع وجود دارند، اما در بسیاری از آزمایشگاه‌ها نیز به‌صورت سفارشی ساخته می‌شوند. طراحی مناسب باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

• محفظه مقاوم در برابر خوردگی (شیشه بوروسیلیکات یا تفلون)

• قابلیت نصب ایمن الکترودها با فاصله قابل تنظیم

• درپوش مناسب برای جلوگیری از تبخیر یا ورود هوا

• امکان کنترل دما و تزریق گاز بی‌اثر (مانند نیتروژن یا آرگون)

در سل‌های پیشرفته‌تر، از سیستم‌های همزن مغناطیسی و حسگرهای هم‌زمان pH و دما نیز استفاده می‌شود.

---

۱۰. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

سل الکتروشیمیایی سه الکترودی یکی از اساسی‌ترین ابزارها در مطالعات الکتروشیمی است که با تفکیک وظایف سه الکترود، امکان کنترل دقیق پتانسیل و جریان را فراهم می‌کند. این ساختار موجب می‌شود نتایج اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر، تکرارپذیرتر و علمی‌تر باشند.

از بررسی خوردگی فلزات تا توسعه باتری‌های لیتیوم-یون و حسگرهای زیستی، سل سه الکترودی نقش حیاتی در پیشرفت فناوری‌های انرژی و محیط زیست دارد. در آینده نیز با پیشرفت در طراحی الکترودهای نانوساختار، استفاده از مواد رسانای نوین و توسعه پتانسیوستات‌های هوشمند، کارایی و دقت این سل‌ها بیش از پیش افزایش خواهد یافت.