ما هو قياس الجهد الدوري Cyclic Voltammetry (CV) ؟

يعتبر قياس الجهد الدوري – Cyclic Voltammetry من أهم التقنيات لدراسة النشاط الكهربائي للمادة وسلوكها في المحاليل والتطبيقات المختلفة. فقد ذكرنا في مقال سابق عن الكيمياء الكهروتحليلية – Electroanalytical chemistry عن مدى احتياجنا لطرق تحليل دقيقة سريعة يمكن التحكم بكل معاملاتها حسب احتياجاتنا ودراستنا. ومع تطور العلوم والتكنولوجيا واتجاه العالم للتوصل لمصادر طاقة نظيفة مثل الهيدروجين الأخضر وتخزينها في أجهزة تخزين الطاقة من بطاريات ومكثفات ومكثفات فائقة التوصيل، أصبحنا بحاجة لتقنيات تمتاز بالدقة والسرعة لدراسة المواد المُستخدمة في التطبيقات المختلفة. فما هي تقنية قياس الجهد الدوري وتطبيقاتها في المجالات المختلفة؟

ما هي تقنية قياس الجهد الدوري – Cyclic Voltammetry (CV) ؟

قياس الجهد الدوري هو تقنية كهروكيميائية تُستخدم لقياس النشاط الكهربائي لمادة ما في محلول إلكتروليتي عن طريق تطبيق مدى جهد معين – Potential window (مثال: من 0.4 – إلى 0.4 فولت) وقياس التيار الناتج عن ذلك. حيث يتم تطبيق الجهد بمعدل مسح خطي مع الزمن كما موضح بالشكل التالي E-t curve وينتقل إلى الأمام إلى جهود مؤكسدة أكثر إيجابية. وتكون استجابة المادة في صورة تيار كما موضح بالشكل I-E curve . بعد ذلك، يتم عكس نافذة الجهد من 0.4  إلى 0.4- فولت ويتم قياس النشاط الكهربائي في صورة تيار في الاتجاه المعاكس.

يتم قياس الجهد الدوري باستخدام خلية كهروكيميائية ثلاثية الأقطاب، ويتم تطبيق الجهد على قطب العمل. في المثال الموضح بالشكل، تحدث عملية أكسدة لمادة قطب العمل، بمجرد تطبيق الجهد الكافي لأكسدة المادة. وتستمر المادة في فقد الإلكترونات، مما ينتج تيار كهربي حتى تتأكسد الأيونات تمامًا حول القطب، فيتناقص التيار مجددًا.
يستمر انعكاس المسح إلى الجهود السلبية في اختزال المادة، حتى تصل الجهود المُطبقة إلى القيمة التي يمكن فيها إعادة اختزال الأيوانات المؤكسدة (التي تراكمت على سطح القطب). وتتمثل النتيجة في مخطط مميز على شكل يُعرف باسم مخطط الفولتاموجرام الدوري [2].

ما فائدة قياس الجهد الدوري – Cyclic Voltammetry (CV)؟

لإجراء قياس الجهد الدوري، عليك أن تبدأ بإضافة محلول الإلكتروليت إلى خلية كهروكيميائية ثلاثة أقطاب كهربائية. بعد ذلك، استخدم potentiostat لتمرير أو تطبيق الجهد الكهربائي على جهد العمل. عندما يصل الجهد إلى الحد المحدد مسبقًا في نافذة الجهد، فإنه سيعود في الاتجاه المعاكس. ومن الشكل الناتج E-I curve يمكننا الآتي [2] :

1. العثور على معلومات حول ديناميكا عمليات الأكسدة والاختزال إذا وُجدت. فمثلًا توجد مواد عديدة لا تتأثر بالجهد الكهربي مثل المواد الكربونية. فالمادة الكربونية يمكنها تخزين الشحنات عن طريق طبقات الشحنات المزدوجة وليس عن طريق التفاعلات الكهروكيميائية. فبهذه الطريقة يمكننا التعرف على سلوك المادة وكيفية تخزينها للطاقة.
2. التعرف على المادة المجهولة، وذلك عن طريق معرفة قيمة منتصف الجهد E_p/2 والتي تعتبر قيمة مميزة لكل عنصر.

3. تحديد ما إذا كانت التفاعلات الكهروكيميائية للمادة انعكاسية – Reversible، أم غير انعكاسية – Irreversible، أو شبه انعكاسية – Quasi-reversible.

4. معرفة عدد الإلكترونات الداخلة في التفاعل الكهروكيميائي الانعكاسي بتطبيق المعادلة الآتية:

5. معرفة تركيز مجهول من خلال معادلة راندليس سيفجيك – Randles-Sevcik equation

حيث i_d هو التيار المحدود بالانتشار، وA هي منطقة القطب، و D₀ هو معامل الانتشار للتحليل، و C₀/ ∂x∂ تدرج التركيز على سطح القطب. ويمكن اعتبار ناتج معامل الانتشار وتدرج التركيز على أنه التركيز المولي ( mol · cm^-3).

ما هي تطبيقات قياس الجهد الدوري – Cyclic Voltammetry (CV)؟

1. يتم استخدام قياس الجهد الدوري لمعرفة آلية تخزين المكثفات فائقة التوصيل للشحنات. كما تستخدم في معرفة ما إذا كانت مكثف فائق يعتمد على التفاعلات الكهروكيمياكئية الانعكاسية أم على آلية الشحنات المزدوجة. وكذلك لمعرفة نافذة الجهد المناسبة للبطاريات والمكثفات فائقة التوصيل. مما يمكننا من استخدام هذه المعلومات لتحسين تصميم وأداء المواد لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل البطاريات وخلايا الوقود والمحفزات.
2. في التحليل الكهروكيميائي للماء، يتم استخدام هذه التقنية لحساب مساحة السطح النشطة كهروكيميائيًا في قطب العمل عن طريق تنفيذ الجهد الدوري في نافذات جهد مختلفة بمعدلات مسح متباينة.
3. للكشف عن وجود مواد كيميائية معينة في المحلول. يمكن استخدام هذا لمراقبة جودة المياه والطعام والمنتجات الأخرى مثل الأدوية ومستحضرات التجميل. ويمكن استخدامه أيضًا للكشف عن الملوثات والسموم في البيئة.
4. يمكن الاستعانة بقياس الجهد الدوري وبعض التقنيات الكهروتحليلية الأخرى مثل قياس التوصيلية والمقاومة الكهربية لدراسة تآكل المعادن. يساعدنا ذلك على فهم ميكانيكية تآكل المعادن والسبائك لتطوير طرق لمنع التآكل في الأوساط المختلفة. يمكن استخدام هذه المعلومات لحماية الهياكل المعدنية مثل الجسور والسفن من التآكل.
5. معرفة مدى ثبات المادة كهروكيميائيًا من خلال القيام بقياس الجهد الدوري لدورات عديدة (1000 دورة أو أكثر).

يعتبر قياس الجهد الدوري أول تقنية يتم تطبيقها لدراسة سلوك المادة النشطة كهروكيميائيًا في محلول معين أو لدراسة تركيز مادة ما في المحلول. ويمكن دراسة وملاحظة الكثير من الخصائص بهذه التقنية ولذلك نجدها في تطبيقات عديدة [1,2].

المصادر

1. A Practical Beginner’s Guide to Cyclic Voltammetry | J. Chem. Educ
2. Further Physical Chemistry: Electrochemistry session 10 | Andrew McKinley YouTube Channel