Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Indringende oppervlakte-elektrochemische activiteit van nanomaterialen met behulp van een hybride atoomkrachtmicroscoopscanmicroscoop (AFM-SECM)

Published: February 10, 2021 doi: 10.3791/61111
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Civil and Environmental Engineering, New Jersey Institute of Technology

Summary

Atoomkrachtmicroscopie (AFM) in combinatie met scanning elektrochemische microscopie (SECM), namelijk AFM-SECM, kan worden gebruikt om tegelijkertijd topografische en elektrochemische informatie met hoge resolutie te verkrijgen op materiaaloppervlakken op nanoschaal. Dergelijke informatie is van cruciaal belang voor het begrijpen van heterogene eigenschappen (bijv. reactiviteit, defecten en reactieplaatsen) op lokale oppervlakken van nanomaterialen, elektroden en biomaterialen.

Abstract

Scanning elektrochemische microscopie (SECM) wordt gebruikt om het lokale elektrochemische gedrag van vloeistof/vaste, vloeistof/gas en vloeistof/vloeistof interfaces te meten. Atoomkrachtmicroscopie (AFM) is een veelzijdig instrument om micro- en nanostructuur te karakteriseren in termen van topografie en mechanische eigenschappen. Conventionele SECM of AFM biedt echter beperkte lateraal opgeloste informatie over elektrische of elektrochemische eigenschappen op nanoschaal. De activiteit van een nanomateriaaloppervlak op kristalfacetniveau is bijvoorbeeld moeilijk op te lossen met conventionele elektrochemiemethoden. Dit artikel rapporteert de toepassing van een combinatie van AFM en SECM, namelijk AFM-SECM, om elektrochemische activiteit op nanoschaal te onderzoeken bij het verkrijgen van topografische gegevens met hoge resolutie. Dergelijke metingen zijn van cruciaal belang voor het begrijpen van de relatie tussen nanostructuur en reactieactiviteit, die relevant is voor een breed scala aan toepassingen in materiaalwetenschap, levenswetenschappen en chemische processen. De veelzijdigheid van de gecombineerde AFM-SECM wordt aangetoond door het in kaart brengen van topografische en elektrochemische eigenschappen van respectievelijk gefacetteerd nanodeeltjes (NPs) en nanobubbles (NBs). In vergelijking met eerder gerapporteerde SECM-beeldvorming van nanostructuren maakt deze AFM-SECM kwantitatieve beoordeling van lokale oppervlakteactiviteit of reactiviteit mogelijk met een hogere resolutie van oppervlaktemapping.

Introduction

Karakterisering van elektrochemisch (EC) gedrag kan kritische inzichten bieden in de kinetiek en mechanismen van interfaciale reacties op verschillende gebieden, zoals biologie1,2, energie3,4, materiaalsynthese5,6,7en chemisch proces8,9. Traditionele EC-metingen, waaronder elektrochemische impedantiespectroscopie10,elektrochemische geluidsmethoden11,galvanische intermitterende titratie12en cyclische voltammetrie13 worden meestal uitgevoerd op macroscopische schaal en bieden een oppervlaktegemiddelde respons. Het is dus moeilijk om informatie te verkrijgen over hoe elektrochemische activiteit over een oppervlak wordt verdeeld, maar oppervlakte-eigenschappen op lokale schaal in nanoschaal zijn vooral belangrijk wanneer nanomaterialen op grote schaal worden gebruikt. Daarom zijn nieuwe technieken die in staat zijn om tegelijkertijd zowel multidimensionale informatie op nanoschaal als elektrochemie vast te leggen zeer wenselijk.

Scanning elektrochemische microscopie (SECM) is een veelgebruikte techniek voor het meten van de gelokaliseerde elektrochemische activiteit van materialen op micro- en nanoschaal14. Meestal gebruikt SECM een ultramicro-electrode als sonde voor het detecteren van elektroactieve chemische soorten terwijl het een monsteroppervlak scant om lokale elektrochemische eigenschappen ruimtelijk op te lossen15. De gemeten stroom bij de sonde wordt geproduceerd door reductie (of oxidatie) van de mediatorsoort, en deze stroom is een indicator van de elektrochemische reactiviteit aan het oppervlak van het monster. SECM is aanzienlijk geëvolueerd na de eerste oprichting in 198916,17, maar het wordt nog steeds uitgedaagd door twee belangrijke beperkingen. Aangezien EC-signalen doorgaans gevoelig zijn voor tipsubstraatinteractiekenmerken, is een beperking van SECM dat het op een constante hoogte houden van de sonde een directe correlatie van elektrochemische activiteit met het oppervlaktelandschap voorkomt, als gevolg van de convolutie van topografie met de verzamelde EC-informatie18. Ten tweede is het moeilijk voor een commercieel SECM-systeem om een submicrometer (μm) beeldresolutie te verkrijgen, omdat de ruimtelijke resolutie gedeeltelijk wordt bepaald door de afmetingen van de sonde, die zich op de micrometerschaal19 bevindt. Daarom worden nano-elektroden, de elektroden met een diameter in het nanometerbereik, steeds vaker gebruikt in SECM om een resolutie te bereiken onder de submicrometerschaal20,21,22,23.

Om een constante tipsubstraatafstandsregeling te bieden en een hogere ruimtelijke elektrochemische resolutie te verkrijgen, zijn verschillende hybride technieken van SECM gebruikt, zoals ionengeleidingspositionering24,afschuifkrachtpositionering25,wisselstroom SECM26en atoomkrachtmicroscopie (AFM) positionering. Onder deze instrumenten is SECM integratie AFM positionering (AFM-SECM) een veelbelovende aanpak geworden. Omdat AFM vaste tipsubstraatafstanden kan bieden, maakt de geïntegreerde AFM-SECM-techniek het gelijktijdig verkrijgen van nanoschaal oppervlakte structurele en elektrochemische informatie mogelijk door het in kaart brengen of monstervegen met de scherpe AFM-tips. Sinds de eerste succesvolle operatie van AFM-SECM door MacPherson en Unwin in 199627, zijn er aanzienlijke verbeteringen bereikt op het gebied van het ontwerp en de fabricage van sondes, evenals de toepassingen ervan op verschillende onderzoeksgebieden zoals elektrochemie in chemische en biologische processen. Afm-SECM is bijvoorbeeld geïmplementeerd voor het weergeven van composietmateriaaloppervlakken, zoals edelmetaal nanodeeltjes28, gefunctionaliseerde of maatvaste elektroden29,30en elektronische apparaten31. AFM-SECM kan de elektrochemisch actieve sites in kaart brengen vanuit de tipstroomafbeelding.

Gelijktijdige topografische en elektrochemische metingen kunnen ook worden bereikt met andere technieken zoals geleidende AFM32,33,34,35, elektrochemische AFM (EC-AFM)36,37 , 38 , 39, scanning ion conductance microscopie-scanning elektrochemische microscopie (SICM-SECM)24,40, en het scannen van elektrochemische celmicroscopie (SECCM)41,42 De vergelijking is besproken in een vergelijking tussen deze technieken. Het doel van dit werk was om SECM-AFM in te zetten om de elektrochemische mapping en meting van gefacetteerd kristallijne cuprous oxide nanomaterialen en nanobubbles in water te demonstreren. Gefacetteerd nanomaterialen worden op grote schaal gesynthetiseerd voor metaaloxidekatalysatoren in schone energietoepassingen, omdat de facetten met onderscheidende kristallografische kenmerken onderscheidende oppervlakte-atomaire structuren hebben en hun katalytische eigenschappen verder domineren. Bovendien hebben we ook het elektrochemische gedrag gemeten en vergeleken op de vloeistof/gas interfaces voor oppervlakte nanobubbels (NBs) op gouden substraten. NBs zijn bellen met een diameter van <1 μm (ook bekend als ultrafijne bellen)43, en ze roepen veel intrigerende eigenschappenop 44,45, waaronder lange verblijftijden in de oplossingen46,47 en een hoog rendement van gasmassaoverdracht46,48. Bovendien veroorzaakt de ineenstorting van NBs schokgolven en de vorming van hydroxylradicalen (•OH)49,50,51,52. We hebben de elektrochemische reactiviteit van zuurstof NBs gemeten in de oplossing om de fundamentele chemische eigenschappen van NBs beter te begrijpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

  1. Bereiding van gefacetteerd Cu2O nanodeeltjes en afzetting op siliciumsubstraat
    1. Los 0,175 g CuCl2∙2H2O (99,9%) op in 100 ml gedeï gedeï gedeïdiseerd (DI) water om een waterige oplossing van 10 mM CuCl2te genereren.
    2. Voeg 10,0 ml 2,0 M NaOH en 10 ml ascorbinezuur druppelgewijs toe aan de CuCl2-oplossing.
    3. Verwarm de oplossing in een kolf met ronde bodem van 250 ml onder constant roeren in een waterbad van 55 °C gedurende 3 uur.
    4. Verzamel het resulterende neerslag door centrifugeren (5.000 x g gedurende 15 minuten), gevolgd door 3 keer wassen met DI-water en twee keer ethanol om de resterende anorganische ionen en polymeren te verwijderen.
    5. Droog neerslag in vacuüm bij 60 °C gedurende 5 uur53.
    6. Gebruik de bereide siliconen wafer als substraat om Cu2O nanodeeltjes af tezetten zoals geïllustreerd in figuur 1A met epoxy om de tests te garanderen.
      Let op: De siliciumwafel (Ø3" Siliciumwafel, Type P/<111>) werd in één stuk van 38 mm x 38 mm gesneden, gevolgd door wassen met ethanol, methanol en DI-water om organische en anorganische verontreinigingen te verwijderen.
    7. Deponeer direct 10 μL epoxy op de gereinigde siliconen wafer met behulp van een pipettip en tegel met een schone glazen glijbaan. Na ongeveer 5 minuten 10 μL van de nanodeeltjes/watersuspensie (10 mg L-1)afzonderlijk op verschillende met epoxy bedekte siliciumwafelsubstraten laten vallen. De vier verschillende rode vlekken in figuur 1B geven de potentiële positie van de afgezette nanodeeltjes aan.
    8. Droog het substraat gedurende 6 uur vacuüm op 40 °C.
    9. Plaats het monstersubstraat in de EG-monstercel (figuur 4) om te worden gevuld met 1,8 ml van een KCl van 0,1 M KCl met 10 mM Ru(NH3)6Cl3(98%).
  2. Voorbereiding van NBs
    1. Genereer zuurstofnanobubbels door directe injectie van gecomprimeerde zuurstof (zuiverheid 99,999%) via een buisvormig keramisch membraan (100 nm poriegrootte, WFA0.1) in DI-water.
      OPMERKING: Het gas werd continu geïnjecteerd onder een druk van 414 kPa en een stroom van 0,45 L·m-1 tot het bereiken van een stabiele verdeling van de bellengrootte zoals elders gemeld54.
    2. Voeg 1,8 ml van de watersuspensie van NBs toe aan een gouden substraat in de EG-monstercel en stabiliseer gedurende 10 minuten.
      OPMERKING: Verse 40 mm x 40 mm gouden platen (Au op Si) werden gebruikt als substraat om NBs te immobiliseren.
    3. Decanteer 0,9 ml NB-suspensie en vervang door 0,9 ml van een 10 mM Ru(NH3)6Cl3-oplossing in 0,1 M KCl.

2. Oprichting AFM-SECM

LET OP: AFM is gebruikt bij de gepresenteerde AFM-SECM metingen. Voor het uitvoeren van de EC-analyses is de AFM uitgerust met een bipotentiostat en SECM accessoires. Zoals blijkt uit figuur S1, was de bipotentiostat verbonden met de AFM-controller en werden zowel de potentiostaat als de AFM op dezelfde computer aangesloten. De accessoires omvatten een SECM-boorkop, een SECM-sondehouder met beschermende laars en een spanningsontgrendelingsmodule met een weerstandsschakelaar (10 MΩ weerstand werd gebruikt) om de maximale stroomstroom te beperken55. Zoals weergegeven in figuur 2hebben de AFM-SECM sondes een tipradius van 25 nm en een tiphoogte van 215 nm. Het monster fungeerde als een werkende elektrode, die dezelfde pseudo-referentie deelt met behulp van de Ag-draadelektrode (25 mm diameter) en de tegenelektrode van een Pt-draad (25 mm in diameter). De sonde en het monster kunnen op verschillende potentialen (versus de Ag wire pseudo-referentie-elektrode) worden bevooroordeeld om verschillende redoxreacties mogelijk te maken. In het gepresenteerde werk vermindert de tip de [Ru(NH3)6]3+ tot [Ru(NH3)6]2+ bij -400 mV versus een Pseudo-referentieelektrode van ag-draad.

  1. Vervang de bestaande monsterkop door een SECM-boorkop en schroef de boorkop op zijn plaats met twee schroeven met een dop van de dop van de m3 x 6 mm en een inbussleutel van 2,5 mm (afbeelding 3A).
  2. Sluit de temperatuurregelaarkabel aan op de SECM-klauwplaat en sluit de geluidsarme SECM-kabels aan op het veerconnectorblok (kleur naar kleur) en schakelblok(afbeelding 3B).
    OPMERKING: De schakelaar moet tijdens secm-tests aan de rechterkant worden gehouden.
  3. Installeer de spanningsontgrendelingsmodule op de AFM-scanner en sluit deze ook aan op de werkende elektrodeconnector op het veerconnectorblok met verlengkabel (afbeelding 3C).
  4. Monteer de EG-monstercel.
    1. Plaats het inzetstuk op de bovenste ring (afbeelding 4A).
    2. Monteer twee O-ringen op respectievelijk de onderste groef en de bovenste groef van de wisselplaat (figuur 4B en figuur 4C).
    3. Plaats een glazen deksel op de bovenkant van de bovenste ring en draai deze vervolgens licht en diagonaal met vier schroeven vast(afbeelding 4D).
    4. Gebruik een harde scherpe draad met een diameter van 24 mm (figuur 4E) om twee gaten in de O-ring door twee kanalen van kunststof op de bovenste ring te prikken (figuur 4F).
    5. Steek ag-draad en pt-draad door het gat op de O-ring en buig de Pt-draad naar een cirkel in de EG-monstercel zoals weergegeven in figuur 4G.
    6. Om het bovenste deel van de EG-monstercel af te dichten, drukt u de geassembleerde EC-monstercel op de bodem van de EC-monstercel om de O-ring volledig in contact te laten komen met het glasdeksel (figuur 4H).
    7. Plaats het bovenste deel van de EG-monstercel ondersteboven en kijk het testmonster (of substraat) naar beneden, zodat de veerbelaste pinnen (pogopennen) het monsteroppervlak raken, zoals aangegeven in figuur 4I en figuur 4J. Het testmonster moet de O-ring bedekken om de onderste deelafdichting van het EG-monstercel te maken.
    8. Plaats de eg-monstercelbodem erop en draai deze diagonaal vast met de rechter lengteschroef(afbeelding 4K).

3. Werking AFM-SECM

  1. Initialisatie van de AFM en bipotentiostat instrumenten
    1. Dubbelklik op de twee softwarepictogrammen om het AFM-systeem en de bipotentiostat-besturingsinterface te initialiseren.
  2. SECM-sonde laden
    1. Bereid het ESD-veldservicepakket voor, inclusief antistatisch stootkussen, elektrostatische ontlading (ESD) beschermende sondestandaard, draagbare antistatische handschoenen en polsband (figuur 5A). Figuur 5B toont de aansluiting van de ESD-monitor met polsband.
      OPMERKING: De ESD-monitor piept wanneer de rode pad is verbonden met de massa. De pieptoon stopt wanneer de gebruiker de polsband draagt.
    2. Gebruik een beschermende laars (figuur 6A) tijdens afm-SECM-tests om blootstelling aan vloeistof te voorkomen. Plaats de sondehouder op de ESD-beschermstandaard(afbeelding 6B). Gebruik een plastic pincet om de beschermschoen aan de tiphouder te bevestigen (afbeelding 6C). Lijn vervolgens de kleine snede in de beschermschoen uit op de inkeping in de sondehouder zoals afgebeeld in figuur 6D.
    3. Open de doos AFM-SECM-sondes (figuur 7A) met een tippenzer (groene kleur) om de sonde aan beide zijden van de groeven te grijpen (figuur 7B). Terwijl u de schijfgrijper (zilverkleur) gebruikt om de sondehouder op de standaard te houden, plaatst u de sondedraad in het gat van de standaard en schuift u de sonde vervolgens in de sleuf van de sondehouder (afbeelding 7C). Nadat de sonde zich in de sleuf bevindt, gebruikt u het platte uiteinde van het pincet om het in te drukken. Zorg ervoor dat de sonde zich volledig in de tiphouder bevindt (afbeelding 7D).
    4. Zoals afgebeeld in figuur 8A,bevestigt u de hele sondehouder (inclusief de houder-boot) aan de scanner.
    5. Gebruik de Teflon tip pincet om de draad direct onder de koperen ring te pakken en deze aan te sluiten op de module (Afbeelding 8B).
    6. Leg de scanner terug op de zwaluwstaart.
  3. De monstercel laden
    1. Na het samenstellen van het testmonster (of substraat) in de EG-monstercel, zoals vermeld in punt 2.4, plaatst u de EC-monstercel op het centrale punt van de SECM-boorkop en de pseudoreferentieelektrode (Ag-draad) en sluit u de counterelectrode (Pt-draad) aan op het veerconnectorblok (figuur 3). De EC-monstercel is magnetisch aan de boorkop bevestigd.
  4. SECM-softwarevoorbereiding vóór beeldvorming
    1. Selecteer in de AFM-SECM-software SECM- PeakForce QNM om de werkruimte te laden (figuur S2).
    2. Laad in Setupde SECM-sonde en lijn vervolgens een laser uit op de punt met behulp van een uitlijningsstation.
    3. Ga naar Navigatie (Figuur S3). Beweeg de scanner langzaam naar beneden om scherp te stellen op het monsteroppervlak. Pas de positie van de EC-monstercel enigszins aan om ervoor te zorgen dat de scanner tijdens het bewegen de glazen afdekking van de EC-monstercel niet aanraakt. Nadat u zich op het voorbeeld hebt scherpgesteld, klikt u op Positie blind inschakelen bijwerken.
      Let op: Verschillende monsters hebben verschillende hoogtes, dus het is noodzakelijk om de blind engage positie bij te werken na het vervangen van een monster.
    4. Klik op Verplaatsen om vloeiende positie toe te voegen.
    5. Voeg ~1,8 ml van de bufferoplossing toe aan de EG-monstercel om ervoor te zorgen dat het niveau van de oplossing lager is dan de glazen afdekking. Als het waterniveau boven het glazen deksel ligt, kan er water naar de scanner kruipen en een elektrische kortsluiting veroorzaken en de scanner breken. Wacht nog 5 minuten en gebruik een pipet om de oplossing te roeren om bubbels te verwijderen.
      OPMERKING: De bufferoplossing (10 mM [Ru(NH3)6]3+ met ondersteunend elektrolyt van 0,1 M KCl) moet na bereiding constant in de koelkast worden bewaard. Gebruik een spuit met filter (niet groter dan 1 μm poriegrootte) om de oplossing te filteren voordat u deze gebruikt.
    6. Klik op Verplaatsen naar blinde aantrekpositie. De tip gaat terug naar de bufferoplossing. Stel de laser iets in om er zeker van te zijn dat de laser op de punt is uitgelijnd.
    7. Open CHI-software. Zoals weergegeven in figuur S4, klikt u op de opdracht Techniek op de werkbalk om de technische selector te openen en Open Circuit Potential – Time teselecteren. Gebruik de standaardinstelling (Looptijd als 400 s) voor OCP-meting en voer de OCP-meting uit.
      OPMERKING: Het potentieel dat in de OCP-test wordt aantoond, moet bijna nul stabiel zijn.
    8. Klik nogmaals op de opdracht Techniek en voer Cyclische Voltammetrie (CV)uit, zoals weergegeven in figuur S5 en figuur S6.
      OPMERKING: Stel de parameters in zoals hieronder. Stel indien nodig "veegsegmenten" in op een groter getal. De "init E/Final E" moet gelijk zijn aan de potentiële waarde van OCP-meting en "High E" en "Low E" kunnen respectievelijk +0,3 V of −0,3 V van " init E/Final E" zijn. Hier gebruiken we 0 V als initiële en hoge E en -0,4 V als Laag en Definitief E. De scansnelheid was 0,05 V/s en de gevoeligheid was 1 e-009. Voer de CV-test uit, de hoogste stroom (i) die hier wordt gemeten, moet 0,3-1,2 nA zijn voor 10 mM [Ru(NH3)6]3+.
  5. SECM Beeldvorming
    1. Ga terug naar de AFM-SECM software. Aangezien de tip al in de vloeistof zit, klikt u op Engage.
    2. Schakel na het scannen de liftmodus (Lift by Sensor) in met een hefhoogte van 100 nm en pas de hefhoogte aan op basis van de monsterruwheid.
    3. Voer in CHI-software een chronoamperometrie uit met parameters in figuur S7. Stel de initiële E in op -0,4 V, de pulsbreedte op 1000 seconden (het maximale getal dat door het systeem wordt geaccepteerd) en de gevoeligheid hetzelfde bij cv-scan.
      OPMERKING: De chronoamperometrietechniek werd gekozen vanwege de afwezigheid van amperometrische i-t-techniek in de gepresenteerde bi-potentiostaat.
    4. Ga met het CHI-programma terug naar AFM-SECM-software, controleer de real-time meting op de stripgrafiek en klik op Start (figuur S8). De lezing wordt in realtime bijgewerkt. Dan beginnen zowel topografie beeldvorming als het huidige beeldvormingsproces. Sla afbeeldingen op in de AFM-SECM software.
  6. Naderingscurve controleren
    1. Betrek de tip op monster- of substraatgebied met een scangrootte van 1 μm.
    2. Voer de chronoamperometrie uit zoals vermeld in 3.5.3.
    3. Ga terug naar AFM-SECM Software en selecteer het commando Go To Ramp.
    4. Klik op Ramp. In de AFM-SECM-software zou een naderingscurve worden vastgelegd.
  7. Tip reiniging
    1. Gebruik van de EG-monstercel als schoonwaterreservoir. Beweeg de tip in en uit de vloeistof met behulp van blind engage-functies in het navigatiepaneel. Ververs het schone water drie keer. Na deze drie keer reinigen, met behulp van schone doekjes om voorzichtig restwater uit de sondehouder te verwijderen en de sonde terug in de sondedoos te plaatsen.
      Let op: Na beeldvorming moet de AFM-SECM-sonde zorgvuldig worden gereinigd. Gebruik nooit water uit de wasfles om de sonde schoon te maken, omdat de elektrostatische lading de sonde kan beschadigen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Topografie en actuele beeldvorming van ONB's door AFM-SECM

Eerdere studies die NBs met AFMkenmerkten,rapporteerden alleen topografiebeelden om de grootte en verdeling van NBs te onthullen die geïmmobiliseerd waren op een vast substraat56,57. De experimenten hier onthulden zowel morfologische als elektrochemische informatie. Individuele zuurstofnanobubbels (ONB's) kunnen duidelijk worden geïdentificeerd in figuur 9, die zowel de topografie als de tipstroommapping of informatie biedt. De tipstroom werd gegenereerd door de redoxreactie van [Ru(NH3)6]3+ die wordt teruggebracht tot [Ru(NH3)6]2+ aan de punt onder een biaspotentiaal van -0,4 V , zoals weergegeven in figuur 9C. Een vergelijking van de topografie en de huidige afbeelding toont de goede correlatie tussen de locaties van de NBs en de huidige plekken. Dit resultaat bevestigt dat ONB 's de diffusie en massaoverdracht van [Ru(NH3)6]3+ van de bulkoplossing naar het tipgebied58 kunnen vergemakkelijken en kunnen resulteren in een hogere stroom (ten opzichte van de substraatachtergrondstroom van 6 pA) wanneer de AFM-SECM-tip over NBs59scant .

Topografie en actuele beeldvorming van Cu2O NPs door AFM-SECM

De topografie en actuele afbeeldingen van Cu2O nanodeeltjes zijn weergegeven in figuur 10. De tipstroom werd gegenereerd als gevolg van de redoxreactie van [Ru(NH3)6]3+, die ook aan de punt worden verminderd met een potentiaal bij -0,4 V , zoals weergegeven in figuur 10C. Het nanodeeltje is ongeveer 500-1000 nm groot. Het gepresenteerde topografiebeeld werd verwerkt met een1e orde afvlakkingsbehandeling. De door de AFM bepaalde deeltjesgrootte is vergelijkbaar met die van het SEM-beeld. De lengte of breedte is iets groter dan de hoogte van de nanodeeltjes (ongeveer 500 nm) als gevolg van het tipconvolutie-effect, een bekend artefact in het AFM-beeldvormingsproces dat de overschatting van de objectdimensie veroorzaakt door een eindige AFM-tip60. In deze studie, omdat de Cu2O nanodeeltjes een scherpe octaëdervorm hebben, kan de AFM-tip de steile zijwand en bodem niet raken, en dit convolutie-effect kan veel laterale verbreding van het oppervlakverklaren 61. Figuur 10B geeft aan dat het nanodeeltje dat zichtbaar is in het topografiebeeld geassocieerd is met een duidelijke elektrische stroom "vlek" in het huidige beeld, terwijl de achtergrondstroom (~10 pA) overeenkomt met het platte siliciumsubstraat.

CV- en approachcurves van Cu2O NPs

Figuur 11A toont vijf representatieve CV-curven van de AFM-SECM-tip met de punt op ongeveer 1 mm afstand van het substraat in 10 mM [Ru(NH3)6]3+ en 0,1 M KCl. De diffusie-beperkte tipstroom (~1.2 nA) nam niet af met de tijd. Figuur 11A toont de CV-curve met een scansnelheid van 50 mV s−1, wat het biaspotentieel van -0,4 V vs Ag/AgCl bevestigt, wat heeft geleid tot de maximale plateaupuntstroom als gevolg van de reductiereactie van [Ru(NH3)6]3+.

Figuur 11B toont de veranderingen van de tipstroom wanneer de tip naar het monsteroppervlak beweegt. De AFM-SECM-tip benaderde het substraatoppervlak in Z-richting totdat deze een instelpunt (5 nN in dit werk) bereikte dat het fysieke tipsubstraatcontact of -buigen aangeeft als gevolg van het contact62,63. De stroom op de percelen werd genormaliseerd tot i0 (i0=3.385 nA), wat wordt gedefinieerd als de tipstroom gemeten wanneer de punt 1 μm boven het monsteroppervlak ligt. De tip was bevooroordeeld bij −0,4 V vs Ag/AgCl in elektrolyt met 10 mM [Ru(NH3)6]3+en 0,1 M KCl. De genormaliseerde tipstroom nam toe met de afnemende tip-sample afstand. Bij <8 nm was de punt in contact met het nanodeeltjesoppervlak en nam de genormaliseerde tipstroom sterk toe, waarschijnlijk omdat het negatief geladen Si-oppervlak zou resulteren in een verhoogde lokale concentratie van [Ru(NH3)6]3+ in de buurt van het oppervlak.

Figure 1
Figuur 1: Afzetting van Cu2O nanodeeltjes op een silicium wafer. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Schematisch van AFM-SECM systeem. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Installatieprocedure voor SECM-klauwplaat en andere accessoires. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Assemblageprocedure van de EG-monstercel. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Het ESD-buitendienstpakket.
(A) Delen van ESD beschermende delen; (B) Aansluitingen van ESD-monitor, polsband en aardingsdraad. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 6
Afbeelding 6: Bevestigingsprocedure voor de beschermschoen op de sondehouder. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 7
Afbeelding 7: De SECM-sonde in de sondehouder laden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: De SECM-sonde.
(A) Bevestig de probe-holder-boot assembly aan de scanner; (B) Aansluiting van de sonde op de vrijgekomen spanningsmodule. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Gelijktijdig verworven topografie (A) en tipstroom (B) beelden van zuurstof NBs in elektrolyt met 10 mM [Ru(NH3)6]3+en 0,1 M KCl.
De tip (eindpuntradius is 25nm) was bevooroordeeld bij -0,4V. (C) Schematische illustratie van AFM-SECM meting van NBs Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Gelijktijdig verworven topografie (A) en tipstroom (B) afbeeldingen van Cu2O nanodeeltjes in elektrolyt met 10 mM [Ru(NH3)6]3+en 0,1 M KCl.
De tip (eindpuntradius is 25nm) was bevooroordeeld bij -0,4V (C) Schematische illustratie van AFM-SECM meting van NPs. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: CV- en approachcurves van Cu2O NPs.
(A) Vijf CV-scan in 10 mM [Ru(NH3)6]3+en 0,1 M KCl. (B) Naderingscurven van nano-eclectrodesonde op cu2O nanodeeltjesoppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

reactie E0 / V concentratie Toegepast potentieel Ref
2H+ + 2e− Icon 1 H2 0
[Ru(NH3)6] 3+ + e− Icon 1 [Ru(NH3)6]2+ 0.10 (NHE) 10 mM −0,4 V (Ag/AgCl) 1
2NO2− + 3H2O + 4e− N Icon 1 2O+ 6OH− 0.15(NHE) 0,1 M +0.95V (Ag/AgCl) 2
[Fe(GN)6] 3− + e− Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0.358(NHE) 2 ~ 5 mM +0.0 ~ 0.5V (Ag/AgCl) 3
ClO4− + H2O + 2e− Icon 1 ClO3−+ 2OH− 0.36(NHE) 0.1~1 M +0,30 V(SCE) 4
[IrCl6] 3− + 3e− Icon 1 Ir + 6Cl− 0,77 (NHE) 10 mM +1,0 V(Ag/AgCl) 5
SO42− + H2O + 2e− SO Icon 1 32−+ 2OH− -0,93 (NHE) 10 mM -0,45 V(Ag/AgCl) 6
AgCl + e− Icon 1 Ag + Cl− 0.22233(NHE)
Verwijzingen:
1. Jiang, J. et al. Nano-elektrische en nano-elektrochemische beeldvorming van pt/p-si en pt/p+-si elektroden. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. In situ monitoring van pit nucleatie en groei op een ijzer passieve oxide laag met behulp van gecombineerde atoomkracht en scanning elektrochemische microscopie. ChemElectroChem. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. Jones, C. E., Unwin, P.R. & Macpherson, J. V. In Situ Observatie van de Oppervlakteprocessen die betrokken zijn bij het oplossen van het Decolletéoppervlak van Calciet in Waterige Oplossing Met behulp van Gecombineerde Scanning Elektrochemische-Atoomkracht Microscopie (SECM–AFM). ChemPhysChem. 4 (2), 139-146, (2003).
4. Anne, A., Cambril, E., Chovin, A., Demaille, C. & Goyer, C. Elektrochemische atoomkrachtmicroscopie met behulp van een tip-attached redox mediator voor topografische en functionele beeldvorming van nanosystemen. ACS nano. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. Macpherson, J. V., Jones, C. E., Barker, A. L. & Unwin, P.R. Elektrochemische beeldvorming van diffusie door enkele poriën op nanoschaal. analytische chemie. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. In situ onderzoek naar kopercorrosie in zure chlorideoplossing met behulp van atoomkracht - scannen van elektrochemische microscopie. Electrochimica Acta. 247 588-599, (2017).

Tabel 1: Voorbeelden van redoxbemiddelaars die in de literatuur worden gebruikt.

Figuur S1: Foto met verband tussen de bipotentiostat en de AFM controller. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S2: Laad de PeakForce SECM-werkruimte in de software. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S3: Navigatiepaneel voor SECM-werkruimte. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S4: Open circuitpotentiaal uitvoeren – Tijd. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S5: Run Cyclische Voltammetrie. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S6: Parameterinstelling voor cyclische voltammetriemeting. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S7: Parameters voor een chronoamperometriemeting. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S8: Start actuele meting in AFM-SECM software. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Figuur S9: Parameters voor amperometrische i-t techniek. Klik hier om deze afbeelding te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In dit protocol is een gecombineerde AFM-SECM-techniek beschreven die multimodale beeldvorming met hoge resolutie mogelijk maakt. Deze techniek maakt het mogelijk om topografie tegelijkertijd in kaart te brengen met de SECM-stroom die wordt verzameld of in kaart gebracht op enkele nanodeeltjes of nanobubbels. Experimenten werden uitgevoerd met behulp van commerciële sondes. Deze sondes zijn ontworpen om chemische compatibiliteit te bieden met een breed scala aan elektrochemische omgevingen, elektrochemische prestaties, mechanische stabiliteit en meervoudig rijgedrag18. De stabiliteit en duurzaamheid van de AFM-SECM sondes zijn echter van cruciaal belang voor het meten van de elektrochemische informatie met een betrouwbare en hoge resolutie. De in de stappen 3.2 en 3.7 genoemde stappen zijn dan ook van cruciaal belang om de AFM-SECM-tip te beschermen tegen vernietiging door elektrostatische ontlading. Gedetailleerde discussies met betrekking tot specifieke protocolstappen worden ook beschreven.

In stap 3.4.5 werd in de gepresenteerde test 10 mM [Ru(NH3)6]3+ met ondersteunend elektrolyt van 0,1 M KCl gebruikt. 5-10 mM is een veelgebruikte concentratie van [Ru(NH3)6]3+ in de literatuur om goede stroomsignalen te verkrijgen30. Meer voorbeelden van veelgebruikte redox mediators in AFM-SECM metingen zijn samengevat in de discussie (Tabel 1).

In stap 3.4.6 worden de kwaliteit en stabiliteit van elektroden bevestigd met de OCP-meting. Als het in OCP gemeten potentiaal niet in de buurt van nul of instabiel is, moeten de teller- en pseudoreferentieelektroden worden gecontroleerd. De mogelijke redenen voor instabiele OCP kunnen de bevestiging van bellen op de elektroden zijn of de elektroden die niet in vloeistof zijn ondergedompeld.

In stap 3.4.8 kan het hier genoemde potentiële bereik "Hoog E" en "Laag E" +0,3 V of −0,3 V van "init E/Final E" zijn, een veilige keuze om de CV-test te starten. Vervolgens kan het potentiële bereik worden aangepast op basis van de potentiële waarde die heeft geleid tot een plateaustroom in de CV-curve. De scansnelheid kan variëren tussen 0,01 V/s en 0,1 V/s. Een hogere scansnelheid schrijft een hogere gevoeligheid toe, maar de laadstroom zou ook toenemen. Ook presenteerden de voltammogrammen bij hoge scansnelheden vervormde vormen64. Een hogere gevoeligheidswaarde moet worden geselecteerd zolang de CV-test geen "overloop" vertoont. Als er een "overloop"-bericht wordt weergegeven, moet de gevoeligheid worden verminderd.

In stap 3.5.2 is voor beeldvorming het AFM-SECM beeldvormingsproces uitgevoerd met behulp van een liftscanmodus met een hefhoogte van doorgaans 40-150 nm. Als een lagere hefhoogte is gekozen, is er mogelijk een tip die op het monsteroppervlak crasht. Als de hefhoogte te hoog was, kan dit de huidige beeldresolutie verlagen, omdat de punt ver van het monsteroppervlak ligt.

In stap 3.5.3 in het gepresenteerde meetprotocol is gekozen voor -0,4 V versus Ag/AgCl (-0,18V versus NHE) om de reductie van [Ru(NH3)6]3+uit te voeren . De sonde kan de [Ru(NH3)6]3+ verlagen tot [Ru(NH3)6]2+ bij -0,35 tot -0,5 V vs Ag draad pseudo-referentie-elektrode, terwijl het monster mogelijk bevooroordeeld is bij 0 tot -0,1 V voor [Ru(NH3)6]3+ regeneratie. Deze waarde is afhankelijk van de plateaustroom gemeten in de CV scan. Het zal ook variëren met verschillende redoxbemiddelaars zoals samengevat in tabel 1.

Ook werd gekozen voor de chronoamperometrietechniek vanwege de afwezigheid van amperometrische i-t-techniek in de gepresenteerde bi-potentiostaat. Als lezers een bi-potentiostaat hebben die amperometrische i-t-techniek ondersteunt, kunnen ze de i-t-techniek instellen zoals weergegeven in figuur S9. De looptijd is geselecteerd als 2000 seconden om er zeker van te zijn dat deze voldoende is voor ten minste één actueel beeldvormingsproces in AFM-SECM.

Bovendien is monstervoorbereiding ook erg belangrijk, omdat de vaste deeltjes volledig op het substraat moeten worden geïmmobiliseerd, zodat deeltjes niet losraken tijdens het beeldvormingsproces. Bovendien moet de binding tussen monsters en substraten de elektrische geleidbaarheid waarborgen om elektrochemische of elektrische eigenschappen van monsteroppervlakken (bijv. elektrode) te scannen of te onderzoeken. De monstervoorbereidingsmethoden moeten nuttig zijn en verwijzen naar een breed scala aan toepassingen, met name voor karakterisering van nanoobjecten; de immobilisatiemethoden voor monsters kunnen echter variëren met specifieke monsters65,66. Over het algemeen hebben we aangetoond dat AFM-SECM hoge resolutie beeldvorming van zuurstof NBs en Cu2O nanodeeltjes mogelijk maakt. Het is duidelijk dat dit AFM-SECM-protocol naar verwachting een belangrijke rol zal spelen in de interfaciale elektrochemische analyse en brede toepassingen zal hebben op verschillende onderzoeksgebieden, zoals materiaalkunde, chemie en life science1,19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets bekend te maken.

Acknowledgments

Dit werk wordt gefinancierd door de National Science Foundation (Award Number: 1756444) via Biological & Environmental Interfaces of Nano Materials, het USDA National Institute of Food and Agriculture, AFRI project [2018-07549] en Assistance Agreement No. 83945101-0 toegekend door de U.S. Environmental Protection Agency aan New Jersey Institute of Technology. Het is niet formeel herzien door de EPA. De standpunten in dit document zijn uitsluitend die van de auteurs en komen niet noodzakelijkerwijs overeen met die van het Agentschap. EPA onderschrijft geen producten of commerciële diensten die in deze publicatie worden genoemd. De auteurs bedanken ook Undergraduate Research and Innovation program (URI) Phase-1 & Phase-2 aan het New Jersey Institute of Technology.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Atomic force microsopy Bruker, CA Dimenison Icon
Bipotentiostat CH Instruments, Inc. CHI 700E
Materials
Silicon wafer TED PELLA, Inc. 16013
Fresh gold plates Bruker, CA model 119-017-307
PF-SECM-AFM probes Bruker, CA 990-050138
PF-SECM strain-release module Bruker, CA 840-012-724
PF-SECM Probe Holder Bruker, CA 900-050121
PF-SECM Chuck Bruker, CA PF-SECM Chuck
PF-SECM O-ring Bruker, CA 598-000-106
PF-SECM cover glass, SECM Cell Bruker, CA 900-050137
EC Cell Assy Bruker, CA 932-017-300
ESD Field Service Bruker, CA 490-000-066
PF-SECM Boot Bruker, CA 900-050136
Spring connector block Bruker, CA 900-050524
PFSECM Tweezers Bruker, CA
Cable, SECM Tip module Bruker, CA 468-050171
Ag wire Bruker, CA 249-000-056
Pt wire Bruker, CA 248-000-004
Hard sharp wire Bruker, CA TT-ECM10
Tubular ceramic membrane Refracton WFA0.1
Chemicals
Copper(II) chloride dihydrate ACROS Organics AC315281000
Sodium Hydroxide Fisher Chemical S318-100
Ascorbic Acid Fisher Chemical A61-25
Epoxy Loctite Instant Mix
Potassium Chloride Fisher Chemical P217-500
Hexaammineruthenium(III) chloride ACROS Organics AC363342500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shi, X., Qing, W., Marhaba, T., Zhang, W. Atomic Force Microscopy-Scanning Electrochemical Microscopy (AFM-SECM) for Nanoscale Topographical and Electrochemical Characterization: Principles, Applications and Perspectives. Electrochimica Acta. , 135472 (2019).
  2. Aazam, E. S., Ghoneim, M. M., El-Attar, M. A. Synthesis, characterization, electrochemical behavior, and biological activity of bisazomethine dye derived from 2, 3-diaminomaleonitrile and 2-hydroxy-1-naphthaldehyde and its zinc complex. Journal of Coordination Chemistry. 64 (14), 2506-2520 (2011).
  3. Shukla, A., Sampath, S., Vijayamohanan, K. Electrochemical supercapacitors: Energy storage beyond batteries. Current science. 79 (12), 1656-1661 (2000).
  4. Kötz, R., Carlen, M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2483-2498 (2000).
  5. Botte, G. G. Electrochemical manufacturing in the chemical industry. The Electrochemical Society Interface. 23 (3), 49-55 (2014).
  6. Kongsricharoern, N., Polprasert, C. Electrochemical precipitation of chromium (Cr6+) from an electroplating wastewater. Water Science and Technology. 31 (9), 109-117 (1995).
  7. Datta, M., Landolt, D. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2535-2558 (2000).
  8. Wang, S., George, K., Nesic, S. High pressure CO2 corrosion electrochemistry and the effect of acetic acid. Corrosion/2004. 4375, paper (2004).
  9. Song, G. L. Corrosion of Magnesium alloys. , Elsevier. 3-65 (2011).
  10. Bellezze, T., Giuliani, G., Viceré, A., Roventi, G. Study of stainless steels corrosion in a strong acid mixture. Part 2: anodic selective dissolution, weight loss and electrochemical impedance spectroscopy tests. Corrosion Science. 130, 12-21 (2018).
  11. Ehsani, A., et al. Evaluation of Thymus vulgaris plant extract as an eco-friendly corrosion inhibitor for stainless steel 304 in acidic solution by means of electrochemical impedance spectroscopy, electrochemical noise analysis and density functional theory. Journal of Colloid and Interface Science. 490, 444-451 (2017).
  12. Cui, Z. H., Guo, X. X., Li, H. Equilibrium voltage and overpotential variation of nonaqueous Li-O2 batteries using the galvanostatic intermittent titration technique. Energy & Environmental Science. 8 (1), 182-187 (2015).
  13. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  14. Amemiya, S., Bard, A. J., Fan, F. R. F., Mirkin, M. V., Unwin, P. R. Scanning Electrochemical Microscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 95-131 (2008).
  15. Mirkin, M. V., Nogala, W., Velmurugan, J., Wang, Y. Scanning electrochemical microscopy in the 21st century. Update 1: five years after. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (48), 21196-21212 (2011).
  16. Bard, A. J., Fan, F. R. F., Kwak, J., Lev, O. Scanning electrochemical microscopy. Introduction and principles. Analytical Chemistry. 61 (2), 132-138 (1989).
  17. Engstrom, R. C., Pharr, C. M. Scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 61 (19), 1099-1104 (1989).
  18. Nellist, M. R., et al. Atomic force microscopy with nanoelectrode tips for high resolution electrochemical, nanoadhesion and nanoelectrical imaging. Nanotechnology. 28 (9), 095711 (2017).
  19. Patel, A. N., Kranz, C. (Multi) functional atomic force microscopy imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 11, 329-350 (2018).
  20. Ufheil, J., Heß, C., Borgwarth, K., Heinze, J. Nanostructuring and nanoanalysis by scanning electrochemical microscopy (SECM). Physical Chemistry Chemical Physics. 7 (17), 3185-3190 (2005).
  21. Bergner, S., Wegener, J., Matysik, F. M. Simultaneous imaging and chemical attack of a single living cell within a confluent cell monolayer by means of scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 83 (1), 169-174 (2011).
  22. Hu, K., et al. Platinized carbon nanoelectrodes as potentiometric and amperometric SECM probes. Journal of Solid State Electrochemistry. 17 (12), 2971-2977 (2013).
  23. Kranz, C. Recent advancements in nanoelectrodes and nanopipettes used in combined scanning electrochemical microscopy techniques. Analyst. 139 (2), 336-352 (2014).
  24. Morris, C. A., Chen, C. C., Baker, L. A. Transport of redox probes through single pores measured by scanning electrochemical-scanning ion conductance microscopy (SECM-SICM). Analyst. 137 (13), 2933-2938 (2012).
  25. Ludwig, M., Kranz, C., Schuhmann, W., Gaub, H. E. Topography feedback mechanism for the scanning electrochemical microscope based on hydrodynamic forces between tip and sample. Review of Scientific Instruments. 66 (4), 2857-2860 (1995).
  26. Eckhard, K., Schuhmann, W. Alternating current techniques in scanning electrochemical microscopy (AC-SECM). Analyst. 133 (11), 1486-1497 (2008).
  27. Macpherson, J. V., Unwin, P. R., Hillier, A. C., Bard, A. J. In-situ imaging of ionic crystal dissolution using an integrated electrochemical/AFM probe. Journal of the American Chemical Society. 118 (27), 6445-6452 (1996).
  28. Huang, K., Anne, A., Bahri, M. A., Demaille, C. Probing Individual Redox PEGylated Gold Nanoparticles by Electrochemical-Atomic Force Microscopy. ACS Nano. 7 (5), 4151-4163 (2013).
  29. Chennit, K., et al. Electrochemical Imaging of Dense Molecular Nanoarrays. Analytical Chemistry. 89 (20), 11061-11069 (2017).
  30. Jiang, J., et al. Nanoelectrical and Nanoelectrochemical Imaging of Pt/p-Si and Pt/p+-Si Electrodes. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663 (2017).
  31. Knittel, P., Mizaikoff, B., Kranz, C. Simultaneous nanomechanical and electrochemical mapping: combining peak force tapping atomic force microscopy with scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 88 (12), 6174-6178 (2016).
  32. Quist, A. P., et al. Atomic force microscopy imaging and electrical recording of lipid bilayers supported over microfabricated silicon chip nanopores: Lab-on-a-chip system for lipid membranes and ion channels. Langmuir. 23 (3), 1375-1380 (2007).
  33. Cohen, H., et al. Electrical characterization of self-assembled single- and double-stranded DNA monolayers using conductive AFM. Faraday Discussions. 131 (0), 367-376 (2006).
  34. Chung, J. W., et al. Single-crystalline organic nanowires with large mobility and strong fluorescence emission: a conductive-AFM and space-charge-limited-current study. Journal of Materials Chemistry. 19 (33), 5920-5925 (2009).
  35. Guo, D. Z., Hou, S. M., Zhang, G. M., Xue, Z. Q. Conductance fluctuation and degeneracy in nanocontact between a conductive AFM tip and a granular surface under small-load conditions. Applied Surface Science. 252 (14), 5149-5157 (2006).
  36. Rocca, E., Bertrand, G., Rapin, C., Labrune, J. C. Inhibition of copper aqueous corrosion by non-toxic linear sodium heptanoate: mechanism and ECAFM study. Journal of Electroanalytical Chemistry. 503 (1), 133-140 (2001).
  37. Toma, F. M., et al. Mechanistic insights into chemical and photochemical transformations of bismuth vanadate photoanodes. Nature Communications. 7, 12012 (2016).
  38. Kouzeki, T., Tatezono, S., Yanagi, H. Electrochromism of Orientation-Controlled Naphthalocyanine Thin Films. The Journal of Physical Chemistry. 100 (51), 20097-20102 (1996).
  39. Yamaguchi, Y., Shiota, M., Nakayama, Y., Hirai, N., Hara, S. Combined in situ EC-AFM and CV measurement study on lead electrode for lead-acid batteries. Journal of Power Sources. 93 (1), 104-111 (2001).
  40. Comstock, D. J., Elam, J. W., Pellin, M. J., Hersam, M. C. Integrated Ultramicroelectrode-Nanopipet Probe for Concurrent Scanning Electrochemical Microscopy and Scanning Ion Conductance Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (4), 1270-1276 (2010).
  41. Ebejer, N., Schnippering, M., Colburn, A. W., Edwards, M. A., Unwin, P. R. Localized High Resolution Electrochemistry and Multifunctional Imaging: Scanning Electrochemical Cell Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (22), 9141-9145 (2010).
  42. Ebejer, N., et al. Scanning Electrochemical Cell Microscopy: A Versatile Technique for Nanoscale Electrochemistry and Functional Imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 329-351 (2013).
  43. Alheshibri, M., Qian, J., Jehannin, M., Craig, V. S. A history of nanobubbles. Langmuir. 32 (43), 11086-11100 (2016).
  44. Liu, G., Wu, Z., Craig, V. S. Cleaning of protein-coated surfaces using nanobubbles: an investigation using a quartz crystal microbalance. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (43), 16748-16753 (2008).
  45. Ghadimkhani, A., Zhang, W., Marhaba, T. Ceramic membrane defouling (cleaning) by air Nano Bubbles. Chemosphere. 146, 379-384 (2016).
  46. Uchida, T., et al. Transmission electron microscopic observations of nanobubbles and their capture of impurities in wastewater. Nanoscale Research Letters. 6 (1), 1 (2011).
  47. Ushikubo, F. Y., et al. Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 361 (1-3), 31-37 (2010).
  48. Bowley, W. W., Hammond, G. L. Controlling factors for oxygen transfer through bubbles. Industrial, Engineering Chemistry Process Design and Development. 17 (1), 2-8 (1978).
  49. Li, P., Takahashi, M., Chiba, K. Enhanced free-radical generation by shrinking microbubbles using a copper catalyst. Chemosphere. 77 (8), 1157-1160 (2009).
  50. Takahashi, M., et al. Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (10), 2171-2173 (2003).
  51. Takahashi, M., Chiba, K., Li, P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. The Journal of Physical Chemistry B. 111 (6), 1343-1347 (2007).
  52. Ahmed, A. K. A., et al. Influences of air, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide nanobubbles on seed germination and plant growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (20), 5117-5124 (2018).
  53. Zhang, D. F., et al. Delicate control of crystallographic facet-oriented Cu 2 O nanocrystals and the correlated adsorption ability. Journal of Materials Chemistry. 19 (29), 5220-5225 (2009).
  54. Khaled Abdella Ahmed, A., et al. Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science. , (2017).
  55. Huang, Z., et al. PeakForce scanning electrochemical microscopy with nanoelectrode probes. Microscopy Today. 24 (6), 18-25 (2016).
  56. Lou, S. T., et al. Nanobubbles on solid surface imaged by atomic force microscopy. Journal of Vacuum Science, Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 18 (5), 2573-2575 (2000).
  57. Borkent, B. M., Dammer, S. M., Schönherr, H., Vancso, G. J., Lohse, D. Superstability of surface nanobubbles. Physical Review Letters. 98 (20), 204502 (2007).
  58. Agarwal, A., Ng, W. J., Liu, Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere. 84 (9), 1175-1180 (2011).
  59. Tasaki, T., Wada, T., Baba, Y., Kukizaki, M. Degradation of surfactants by an integrated nanobubbles/VUV irradiation technique. Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (9), 4237-4244 (2009).
  60. Fujita, D., Itoh, H., Ichimura, S., Kurosawa, T. Global standardization of scanning probe microscopy. Nanotechnology. 18 (8), 084002 (2007).
  61. Häßler-Grohne, W., Hüser, D., Johnsen, K. P., Frase, C. G., Bosse, H. Current limitations of SEM and AFM metrology for the characterization of 3D nanostructures. Measurement Science and Technology. 22 (9), 094003 (2011).
  62. Sakai, K. Measurement Techniques and Practices of Colloid and Interface Phenomena. , Springer. 51-57 (2019).
  63. Gan, T., Wu, B., Zhou, X., Zhang, G. Ultrahigh resolution, serial fabrication of three dimensionally-patterned protein nanostructures by liquid-mediated non-contact scanning probe lithography. RSC Advances. 6 (55), 50331-50335 (2016).
  64. Arteaga, J. F., et al. Comparison of the simple cyclic voltammetry (CV) and DPPH assays for the determination of antioxidant capacity of active principles. Molecules. 17 (5), 5126-5138 (2012).
  65. Moreno-Herrero, F., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. Atomic force microscopy contact, tapping, and jumping modes for imaging biological samples in liquids. Physical Review E. 69 (3), 031915 (2004).
  66. Doktycz, M., et al. AFM imaging of bacteria in liquid media immobilized on gelatin coated mica surfaces. Ultramicroscopy. 97 (1-4), 209-216 (2003).

Tags

Retractie Elektrochemische activiteit AFM-SECM scanning elektrochemische microscoop atoomkrachtmicroscoop nanomateriaalkarakterisering
Indringende oppervlakte-elektrochemische activiteit van nanomaterialen met behulp van een hybride atoomkrachtmicroscoopscanmicroscoop (AFM-SECM)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, … More

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, W. Probing Surface Electrochemical Activity of Nanomaterials using a Hybrid Atomic Force Microscope-Scanning Electrochemical Microscope (AFM-SECM). J. Vis. Exp. (168), e61111, doi:10.3791/61111 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter