Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Probing overflate elektrokjemisk aktivitet av nanomaterialer ved hjelp av en hybrid atomkraft mikroskop-skanning elektrokjemisk mikroskop (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

Atomkraftmikroskopi (AFM) kombinert med skanning av elektrokjemisk mikroskopi (SECM), nemlig AFM-SECM, kan brukes til samtidig å skaffe seg topografisk og elektrokjemisk informasjon med høy oppløsning på materialoverflater ved nanoskala. Slik informasjon er avgjørende for å forstå heterogene egenskaper (f.eks. reaktivitet, defekter og reaksjonssteder) på lokale overflater av nanomaterialer, elektroder og biomaterialer.

Abstract

Skanning av elektrokjemisk mikroskopi (SECM) brukes til å måle den lokale elektrokjemiske oppførselen til væske/ fast stoff, væske / gass og væske / væskegrensesnitt. Atomkraftmikroskopi (AFM) er et allsidig verktøy for å karakterisere mikro- og nanostruktur når det gjelder topografi og mekaniske egenskaper. Konvensjonell SECM eller AFM gir imidlertid begrenset side løst informasjon om elektriske eller elektrokjemiske egenskaper ved nanoskala. For eksempel er aktiviteten til en nanomaterialeoverflate på krystall fasettnivåer vanskelig å løse ved konvensjonelle elektrokjemimetoder. Dette papiret rapporterer anvendelsen av en kombinasjon av AFM og SECM, nemlig AFM-SECM, for å sondere nanoskala overflateelektrokjemisk aktivitet mens de anskaffer topografiske data med høy oppløsning. Slike målinger er avgjørende for å forstå sammenhengen mellom nanostruktur og reaksjonsaktivitet, som er relevant for et bredt spekter av anvendelser innen materialvitenskap, biovitenskap og kjemiske prosesser. Allsidigheten til den kombinerte AFM-SECM demonstreres ved å kartlegge topografiske og elektrokjemiske egenskaper til fasetterte nanopartikler (NPs) og nanobubbles (NBs), henholdsvis. Sammenlignet med tidligere rapportert SECM-avbildning av nanostrukturer, muliggjør denne AFM-SECM kvantitativ vurdering av lokal overflateaktivitet eller reaktivitet med høyere oppløsning av overflatekartlegging.

Introduction

Karakterisering av elektrokjemisk (EC) oppførsel kan gi kritisk innsikt i kinetikk og mekanismer for interfaciale reaksjoner på forskjellige felt, for eksempel biologi1,2, energi3,4, materialsyntese5,6,7og kjemisk prosess8,9. Tradisjonelle EC-målinger, inkludert elektrokjemisk impedansspektroskopi10, elektrokjemiske støymetoder11, galvanisostatisk intermitterende titrering12og syklisk voltammetri13 utføres vanligvis i makroskopisk skala og gir en overflategjennomsnittsrespons. Dermed er det vanskelig å trekke ut informasjon om hvordan elektrokjemisk aktivitet fordeles over en overflate, men lokale overflateegenskaper i nanoskala er spesielt viktige der nanomaterialer er mye brukt. Derfor er nye teknikker som samtidig kan fange både nanoskala flerdimensjonal informasjon og elektrokjemi svært ønskelig.

Skanning av elektrokjemisk mikroskopi (SECM) er en mye brukt teknikk for måling av lokalisert elektrokjemisk aktivitet av materialer ved mikro- og nanoskala14. Vanligvis bruker SECM en ultramikroelektrorod som en sonde for å oppdage elektroaktive kjemiske arter når den skanner en prøveoverflate for å løse lokale elektrokjemiske egenskaper15på en romlig måte. Den målte strømmen ved sonden produseres ved reduksjon (eller oksidasjon) av mediatorartene, og denne strømmen er en indikator på den elektrokjemiske reaktivitet på overflaten av prøven. SECM har utviklet seg betydelig etter sin første oppstart i 198916,17, men det er fortsatt utfordret av to hovedbegrensninger. Siden EC-signaler vanligvis er følsomme for tupp-substratinteraksjonsegenskaper, er en begrensning av SECM at å holde sonden i konstant høyde forhindrer en direkte korrelasjon av elektrokjemisk aktivitet med overflatelandskapet, på grunn av innvikning av topografi med samlet EC-informasjon18. For det andre er det vanskelig for et kommersielt SECM-system å oppnå undermikrometer (μm) bildeoppløsning, da den romlige oppløsningen delvis bestemmes av sondedimensjonene, som er på mikrometerskalaen19. Derfor brukes nanoelektroder, elektrodene med en diameter i nanometerområdet, i økende grad i SECM for å oppnå en oppløsning under undermikrometerskalaen20,21,22,23.

For å gi en konstant tip-substrat avstandskontroll og oppnå en høyere romlig elektrokjemisk oppløsning, har flere hybridteknikker for SECM blitt brukt, for eksempel ionledningsposisjonering24, skjærkraftposisjonering25, vekselstrøm SECM26og atomkraftmikroskopi (AFM) posisjonering. Blant disse instrumenteringene har SECM-integrering av AFM-posisjonering (AFM-SECM) blitt en svært lovende tilnærming. Siden AFM kan gi faste spiss-substratavstander, muliggjør den integrerte AFM-SECM-teknikken samtidig anskaffelse av nanoskala overflatestrukturelt og elektrokjemisk informasjon gjennom kartlegging eller prøvesveiping med de skarpe AFM-spissene. Siden den første vellykkede driften av AFM-SECM av MacPherson og Unwin i 199627, har det blitt oppnådd betydelige forbedringer på sondedesign og fabrikasjon, samt dens anvendelser på ulike forskningsfelt som elektrokjemi i kjemiske og biologiske prosesser. Afm-SECM er for eksempel implementert for avbildning av komposittmaterialeoverflater, for eksempel edle metallnanopartikler28, funksjonaliserte eller dimensjonalt stabile elektroder29,30og elektroniske enheter31. AFM-SECM kan kartlegge de elektrokjemisk aktive stedene fra spissens nåværende bilde.

Samtidige topografiske og elektrokjemiske målinger kan også oppnås ved hjelp av andre teknikker som ledende AFM32,33,34,35, elektrokjemisk AFM (EC-AFM)36,37,38,39, skanning ionledningsmikroskopi-skanning elektrokjemisk mikroskopi (SICM-SECM)24,40, og skanning elektrokjemisk cellemikroskopi (SECCM)41,42 Sammenligningen mellom disse teknikkene har blitt diskutert i en gjennomgang papir1. Målet med det nåværende arbeidet var å bruke SECM-AFM for å demonstrere elektrokjemisk kartlegging og måling på fasetterte krystallinske cuprous oksid nanomaterialer og nanobubbles i vann. Fasetterte nanomaterialer er mye syntetisert for metalloksidkatalysatorer i rene energiapplikasjoner fordi fasetter med særegne krystallografiske egenskaper har særegne overflateambiske strukturer og ytterligere dominerer deres katalytiske egenskaper. Videre målte og sammenlignet vi også den elektrokjemiske oppførselen ved væske/gass-grensesnittene for overflatenanobobler (NBs) på gullsubstrater. NBs er bobler med en diameter på <1 μm (også kjent som ultrafine bobler)43, og de fremkaller mange spennende egenskaper44,45, inkludert lange oppholdstider i løsningene46,47 og høy effektivitet av gassmasseoverføring46,48. Videre skaper sammenbruddet av NBs sjokkbølger og dannelsen av hydroksylradikaler (•OH)49,50,51,52. Vi målte den elektrokjemiske reaktiviteten til oksygen-NB-er i løsningen for bedre å forstå de grunnleggende kjemiske egenskapene til NBs.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvepreparering

  1. Fremstilling av fasetterte Cu2O nanopartikler og avsetning på silisiumsubstrat
    1. Løs opp 0,175 g CuCl2∙2H2O (99,9 %) 100 ml deionisert (DI) vann for å generere en vandig løsning på 10 mM CuCl2.
    2. Tilsett 10,0 ml 2,0 M NaOH og 10 ml 0,6 M askorbinsyre dråpevis inn i CuCl2-løsningen.
    3. Varm oppløsningen i en 250 ml rundbunnsflaske under konstant omrøring i et 55 °C vannbad i 3 timer.
    4. Samle det resulterende bunnfallet ved sentrifugering (5000 x g i 15 minutter), etterfulgt av vask med DI-vann 3 ganger og etanol to ganger for å fjerne de gjenværende uorganiske ioner og polymerer.
    5. Tørk bunnfallet i vakuum ved 60 °C i 5 timerog 53.
    6. Bruk den klargjorte silisiumskiven som substrat for å deponere Cu2O nanopartikler som vist i figur 1A ved hjelp av epoksy for å sikre testingen.
      Advarsel: Silisiumskiven (Ø3" Silisiumskive, Type P/<111>) ble kuttet i et enkelt stykke 38 mm x 38 mm, etterfulgt av vask med etanol, metanol og DI-vann for å fjerne organiske og uorganiske forurensninger.
    7. Deponer direkte 10 μL epoksy på den rensede silisiumskiven ved hjelp av en pipettespiss og fliser med en ren glasssklie. Etter ca. 5 min, slipp 10 μL nanopartikler/vannfjæring (10 mg L-1) på forskjellige epoksybelagte silisiumskivesubstrater, separat. De fire forskjellige røde flekkene som er vist i figur 1B, indikerer den potensielle posisjonen til de avsatte nanopartiklene.
    8. Støvsug substratet ved 40 °C i 6 timer.
    9. Plasser prøvesubstratet i EC-prøvecellen (figur 4) som skal fylles med 1,8 ml av en 0,1 M KCl som inneholder 10 mM Ru(NH3)6Cl3(98 %).
  2. Utarbeidelse av NBer
    1. Generer oksygen nanobubbles ved direkte injeksjon av komprimert oksygen (renhet 99.999%) gjennom en rørformet keramisk membran (100 nm porestørrelse, WFA0.1) i DI-vann.
      MERK: Gassen ble injisert kontinuerlig under et trykk på 414 kPa og en strøm på 0,45 L·m-1 til den nådde stabil boblestørrelsesfordeling som rapportert andre steder54.
    2. Tilsett 1,8 ml vannsuspensjon av NBs på et gullsubstrat i EC-prøvecellen og stabiliser i 10 minutter.
      MERK: Ferske gullplater på 40 mm x 40 mm (Au on Si) ble brukt som substrat for å immobilisere NBs.
    3. Dekanter 0,9 ml NB-suspensjon og erstatt med 0,9 ml 10 mM Ru(NH3)6Cl3-oppløsning i 0,1 M KCl.

2. Oppsett av AFM-SECM

MERK: AFM ble brukt i de presenterte AFM-SECM-målingene. For å utføre EC-analysene var AFM utstyrt med bipotentiostat- og SECM-tilbehør. Som vist i figur S1ble bipotentiostat koblet til AFM-kontrolleren, og både potentiostat og AFM ble koblet til samme datamaskin. Tilbehøret inkluderer en SECM chuck, en SECM-sondeholder med beskyttende støvel og en strekkutløsningsmodul med motstandsvelger (10 MΩ-motstand ble brukt) for å begrense maksimal strømstrøm55. Som vist i figur 2har AFM-SECM-sondene en spissradius på 25 nm og en spisshøyde på 215 nm. Prøven fungerte som en arbeidselektrode, som deler samme pseudoreferanse ved hjelp av Ag-trådelektroden (25 mm diameter) og motelektroden til en Pt-ledning (25 mm i diameter). Sonden og prøven kan være partisk ved forskjellige potensialer (vs Ag wire pseudo-referanseelektroden) for å muliggjøre forskjellige redoksreaksjoner. I det presenterte arbeidet reduserer spissen [Ru(NH3)6]3+ til [Ru(NH3)6]2+ ved -400 mV versus en Ag wire pseudo-referanseelektrode.

  1. Sett på plass den eksisterende prøvechucken med SECM chuck og skru chucken på plass med to skruer på M3 x 6 mm hylsehodehetten og en sekskantnøkkel på 2,5 mm (figur 3A).
  2. Koble temperaturkontrollkabelen til SECM-chucken, og koble de lavtytende SECM-kablene til fjærkontaktblokken (farge til farge) og bryterblokken (figur 3B).
    MERK: Bryteren må holdes på høyre side under SECM-testing.
  3. Monter strekkutløsningsmodulen på AFM-skanneren og koble den også til arbeidselektrodekontakten på fjærkontaktblokken med skjøteledning (figur 3C).
  4. Sett sammen EC-eksempelcellen.
    1. Sett innsatsen på toppringen (Figur 4A).
    2. Monter to O-ringer på henholdsvis det nederste sporet og toppsporet på innsatsen (Figur 4B og Figur 4C).
    3. Sett et glassdeksel på toppen av ringen og stram deretter med fire skruer lett og diagonalt (Figur 4D).
    4. Bruk en hard skarp ledning med en diameter på 24 mm (figur 4E) til å stikke to hull i O-ringen gjennom to kanaler av plastdel på toppringen (Figur 4F).
    5. Sett Ag-ledningen og Pt-ledningen gjennom hullet på O-ringen, og bøy Pt-ledningen til en sirkel i EC-prøvecellen som vist i figur 4G.
    6. For å forsegle EC-prøvecellens øverste del, trykk den monterte EC-prøvecellen ned på EC-prøvecellebunnen for å få O-ringen til å komme helt i kontakt med glassdekselet (Figur 4H).
    7. Plasser den øverste delen av EC-prøvecellen opp-ned og vene testprøven (eller substratet) nedover slik at de fjærbelastede pinnene (pogopinnene) berører prøveoverflaten som vist i figur 4I og figur 4J. Testprøven skal dekke O-ringen for å gjøre EC prøvecellebunndeltetning.
    8. Sett på EC-prøvecellen og stram diagonalt med høyre lengdeskrue (Figur 4K).

3. Drift av AFM-SECM

  1. Initialisering av AFM- og bipotentiostat-instrumentene
    1. Dobbeltklikk på de to programvareikonene for å initialisere AFM-systemet og bipotentiostat-kontrollgrensesnittet.
  2. Laster inn SECM-sonde
    1. Klargjør ESD-feltservicepakken, inkludert antistatisk pute, elektrostatisk utladning (ESD) beskyttende sondestativ, bærbare antistatiske hansker og håndleddsstropp (figur 5A). Figur 5B viser tilkoblingen til ESD-skjermen med håndleddsstropp.
      MERK: ESD-skjermen piper når den røde puten er koblet til bakken. Pipetonen stopper når brukeren bruker håndleddsstroppen.
    2. For å unngå at AFM-skanneren utsettes for væske, bruk en beskyttende støvel (figur 6A) under AFM-SECM-testing. Sett probeholderen på ESD-beskyttelsessondestativet (Figur 6B). Bruk et par pinsett i plast til å feste beskyttelsesstøvelen til spissholderen (figur 6C). Juster deretter det lille kuttet i beskyttelsesstøvelen etter hakket i probeholderen som vist i figur 6D.
    3. Åpne esken med AFM-SECM-sonder (Figur 7A) med en tweezer (grønn farge) for å ta tak i sonden fra begge sider av sporene (Figur 7B). Mens du bruker diskgriperen (sølvfargen) til å holde probeholderen på stativet, setter du probeledningen inn i hullet på stativet, og skyver deretter sonden inn i sporet på probeholderen (Figur 7C). Når sonden er inne i sporet, bruker du den flate enden av pinsetten til å skyve den inn. Kontroller at proben er helt i spissholderen (Figur 7D).
    4. Som vist i figur 8A, fester du hele probeholderen (inkludert holderstøvelen) til skanneren.
    5. Bruk Teflon-tweezeren til å gripe ledningen rett under kobberringen og koble den til modulen (Figur 8B).
    6. Sett skanneren tilbake til svalehalen.
  3. Laste inn eksempelcellen
    1. Når du har montert testprøven (eller substratet) i EC-prøvecellen, som ble nevnt i avsnitt 2.4, setter du EC-prøvecellen på det sentrale punktet på SECM-chucken og pseudoreferanseelektroden (Ag-ledningen) og kobler motelektroden (Pt-ledningen) til fjærkontaktblokken (figur 3). EC-prøvecellen er magnetisk festet til chucken.
  4. SECM programvareforberedelse før avbildning
    1. I AFM-SECM-programvaren velger du SECM- PeakForce QNM for å laste inn arbeidsområdet (Figur S2).
    2. I Oppsettlaster du inn SECM-sonden, og deretter justerer du en laser på spissen ved hjelp av en justeringsstasjon.
    3. Gå til Navigasjon (Figur S3). Beveg skanneren sakte nedover for å fokusere på prøveoverflaten. Juster plasseringen av EC-prøvecellen litt for å sikre at skanneren ikke berører glassdekselet til EC-prøvecellen mens du beveger deg. Når du har fokusert på eksemplet, klikker du Oppdater blind engasjerende stilling.
      Advarsel: Ulike prøver har forskjellige høyder, så det er nødvendig å oppdatere blindaktiveringsposisjonen etter at du har endret en prøve.
    4. Klikk Flytt for å legge til væskeposisjon.
    5. Tilsett ~1,8 ml av bufferløsningen i EC-prøvecellen for å sikre at oppløsningsnivået er lavere enn glassdekselet. Hvis vannstanden er over glassdekselet, kan vann krype til skanneren og forårsake en elektrisk kortslutning og bryte skanneren. Vent i ytterligere 5 minutter og bruk en pipette for å røre løsningen for å fjerne bobler.
      MERK: Bufferløsningen (10 mM [Ru(NH3)6]3+ med støtteelektrolytt på 0,1 M KCl) skal oppbevares konstant i kjøleskap etter tilberedning. Bruk en sprøyte med filter (ikke større enn 1 μm porestørrelse) for å filtrere oppløsningen før du bruker den.
    6. Klikk Flytt til blind engasjerende stilling. Spissen flyttes tilbake til bufferløsningen. Juster laseren litt for å sikre at laseren er justert på spissen.
    7. Åpne CHI-programvare. Som vist i Figur S4klikker du Teknikk -kommandoen på verktøylinjen for å åpne teknologivelgeren og velge Open Circuit Potential – Time. Bruk standardinnstillingen (Kjøretid som 400 s) for OCP-måling, og kjør OCP-målet.
      MERK: Potensialet som vises i OCP-testen bør være nær null stabilt.
    8. Klikk kommandoen Teknikk på nytt, og kjør Cyclic Voltammetry (CV), som vist i Figur S5 og Figur S6.
      MERK: Sett opp parametrene som nedenfor. Sett "feiesegmenter" til et større antall om nødvendig. "Init E/Final E" må være som den samme som den potensielle verdien fra henholdsvis OCP-måling og "Høy E" og "Lav E" kan være henholdsvis +0,3 V eller −0,3 V av " init E/Final E". Her bruker vi 0 V som første og høy E og -0,4 V som Lav og Endelig E. Skannehastigheten var 0,05 V/s og følsomheten var 1 e-009. Kjør CV-testen, den høyeste strømmen (i) målt her skal være 0,3-1,2 nA for 10 mM [Ru(NH3)6]3+.
  5. SECM-bildebehandling
    1. Gå tilbake til AFM-SECM-programvaren. Siden spissen allerede er i væsken, klikker du Pågrep.
    2. Etter skanning, slå på løftemodus (Løft etter sensor) med en løftehøyde på 100 nm og juster løftehøyden basert på prøvens grovhet.
    3. I CHI-programvare kjører du en kronoamperometri med parametere vist i Figur S7. Angi den første E som -0,4 V, pulsbredden som 1000 sekunder (som er det maksimale antallet som godtas av systemet), og følsomheten på samme måte med CV-skanning.
      MERK: Kronoamperometriteknikken ble valgt på grunn av fraværet av amperometrisk i-t-teknikk i den presenterte bi-potentiostat.
    4. Når CHI-programmet kjører, går du tilbake til AFM-SECM-programvaren, sjekker sanntidsavlesningen på stripediagrammet og klikker på Start (Figur S8). Lesingen vil bli oppdatert i sanntid. Da vil både topografiavbildning og nåværende bildebehandlingsprosess begynne. Lagre bilder i AFM-SECM-programvaren.
  6. Kontroller tilnærmingskurve
    1. Engasjer spissen på prøve- eller substratområdet med en skannestørrelse på 1 μm.
    2. Kjør Chronoamperometry som nevnt i 3.5.3.
    3. Gå tilbake til AFM-SECM-programvare, og velg kommandoen Gå til rampe.
    4. Klikk Rampe. En tilnærmingskurve vil bli registrert i AFM-SECM-programvaren.
  7. Tips rengjøring
    1. Bruke EC-prøvecellen som en rentvannsbeholder. Beveg spissen inn og ut av væsken ved hjelp av blinde inngrepsfunksjoner i navigasjonspanelet. Bytt rent vann tre ganger. Etter denne tre ganger rengjøringen, bruk rene våtservietter for å forsiktig fjerne gjenværende vann fra probeholderen og sette sonden tilbake i sondeboksen.
      Advarsel: Etter avbildning må AFM-SECM-sonden rengjøres forsiktig. Bruk aldri vann som kommer ut av vaskeflasken til å rengjøre sonden, da den elektrostatiske ladningen kan skade sonden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Topografi og nåværende bildebehandling av ONB-er av AFM-SECM

Tidligere studier som karakteriserte NBs med AFM rapporterte bare topografibilder for å avsløre størrelsen og fordelingen av NBs immobilisert på et solidt substrat56,57. Eksperimentene her avslørte både morfologisk og elektrokjemisk informasjon. Individuelle oksygen nanobubbles (ONB) kan tydelig identifiseres i figur 9, som gir topografi samt spissstrøm kartlegging eller informasjon. Spissstrømmen ble generert av redoksreaksjonen til [Ru(NH3)6]3+ som er redusert til [Ru(NH3)6]2+ ved spissen under et biaspotensial på -0,4 V, som vist i figur 9C. En sammenligning av topografien og det nåværende bildet viser den gode sammenhengen mellom NBs plasseringer og gjeldende flekker. Dette resultatet bekrefter at ONB-er kan lette diffusjonen og masseoverføringen av [Ru(NH3)6]3+ fra bulkløsningen til spissområdet58 og resultere i en høyere strøm (i forhold til substratets bakgrunnsstrøm på 6 pA) når AFM-SECM-spissen skannet over NBs59.

Topografi og nåværende bildebehandling av Cu2O NPs av AFM-SECM

Topografien og aktuelle bilder av Cu2O nanopartikler presenteres i figur 10. Spissstrømmen ble generert på grunn av redoksreaksjonen til [Ru(NH3)6]3+, som også reduseres ved spissen med et potensial på -0,4 V, som vist i figur 10C. Nanopartikkelen er ca 500-1000 nm i størrelse. Det presenterte topografibildet ble behandlet med en 1st ordens flatterende behandling. Partikkelstørrelsen som bestemmes av AFM, kan sammenlignes med den som er hentet fra SEM-bildet. Lengden eller bredden er litt større enn høyden på nanopartiklene (rundt 500 nm) på grunn av tuppkonvolusjonseffekten, en velkjent artefakt i AFM-bildebehandlingsprosessen som forårsaker overestimering av objektdimensjonen med en begrenset STØRRELSE AFM-spiss60. I denne studien, da Cu2O nanopartikkel har en skarp oktaedronform, kan AFM-spissen ikke berøre den bratte sideveggen og bunnen, og denne konvolusjonseffekten kan utgjøre mange laterale utvidelser av overflaten61. Figur 10B indikerer at nanopartikkelen som er synlig i topografibildet, er forbundet med tydelig elektrisk strøm "spot" i gjeldende bilde, mens bakgrunnsstrømmen (~10 pA) tilsvarer det flate silisiumsubstratet.

CV- og Approach-kurver for Cu2O NPs

Figur 11A viser fem representative CV-kurver på AFM-SECM-spissen med spissen på rundt 1 mm fra substratet i 10 mM [Ru(NH3)6]3+ og 0,1 M KCl. Den diffusjonsbegrensede spissstrømmen (~1,2 nA) ble ikke redusert med tiden. Figur 11A viser CV-kurven med en skannehastighet som 50 mV s−1, som bekrefter biaspotensialet til -0,4 V vs Ag/AgCl førte til maksimal platåspissstrøm på grunn av reduksjonsreaksjonen til [Ru(NH3)6]3+.

Figur 11B viser endringene i spissstrømmen når spissen beveger seg mot prøveoverflaten. AFM-SECM-spissen nærmet seg substratoverflaten i Z-retningen til den nådde et settpunkt (5 nN i dette arbeidet) som indikerer den fysiske tupp-substratkontakten eller bøyningen som følge av kontakten62,63. Strømmen på tomtene ble normalisert til i0 (i0=3,385 nA), som er definert som spissstrømmen målt når spissen er 1 μm over prøveoverflaten. Spissen var partisk ved −0,4 V vs Ag/AgCl i elektrolytt som inneholdt 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl. Den normaliserte spissstrømmen økte med den avtagende tuppprøveavstanden. Ved <8 nm var spissen i kontakt med nanopartikkeloverflaten og den normaliserte spissstrømmen økte kraftig, sannsynligvis fordi den negativt ladede Si-overflaten ville resultere i en økt lokal konsentrasjon på [Ru(NH3)6]3+ nær overflaten.

Figure 1
Figur 1: Avsetning av Cu2O nanopartikler på en silisiumskive. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Skjematisk for AFM-SECM-systemet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Monteringsprosedyre for SECM chuck og annet tilbehør. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Monteringsprosedyren for EC-prøvecellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Servicepakken for ESD-felt.
(A)Deler av ESD-vernedeler; (B) Tilkoblinger til ESD-skjerm, håndleddsstropp og jordledning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Festeprosedyre for beskyttelsesstøvelen på probeholderen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Laste SECM-sonden på probeholderen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: SECM-sonden.
(A) Fest probeholderoppstartsenheten til skanneren. (B) Tilkobling av probe til strekk frigjort modul. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: Samtidig ervervet topografi (A) og tippstrøm (B) bilder av oksygen-NBer i elektrolytt som inneholder 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl.
Spissen (endespissradiusen er 25 nm) var partisk ved -0,4 V. (C) Skjematisk illustrasjon av AFM-SECM måling av NBs Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: Bilder av Cu2O nanopartikler i elektrolytt som inneholder 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl samtidig.
Spissen (endespissradius er 25 nm) var partisk ved -0,4 V (C) Skjematisk illustrasjon av AFM-SECM-måling av NPs. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11: CV- og approach-kurver for Cu2O NPs.
(A) Fem CV-skanninger i 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl. (B) Tilnærm kurver av nanoelektrode sonde på Cu2O nanopartikkeloverflate. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

reaksjon E0 / V konsentrasjon Anvendt potensial 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 +0,95 V (Ag/AgCl) 2
[Fe(CN)6] 3− + e− Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0,358 (NHE) 2 ~ 5 mM +0,0 ~ 0,5 V (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)
Referanser:
1. Jiang, J. et al. Nanoelektrisk og nanoelektrisk bildebehandling av Pt/p-Si og Pt/p+-Si-elektroder. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. &Souto, R.M. In situ overvåking av gropkjernedannelse og vekst ved et jern passivt oksidlag ved hjelp av kombinert atomkraft og skanning elektrokjemisk mikroskopi. ChemElectroChem. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. Jones, C. E., Unwin, P. R. &Macpherson, J. V. In Situ Observasjon av overflateprosessene involvert i oppløsning fra spaltingsoverflaten av kalsitt i vandig løsning ved hjelp av kombinert skanning elektrokjemisk-atomkraftmikroskopi (SECM-AFM). ChemPhysChem. 4 (2), 139-146, (2003).
4. Anne, A., Cambril, E., Chovin, A., Demaille, C. &Goyer, C. Elektrokjemisk atomkraftmikroskopi ved hjelp av en tip-attached redoks mediator for topografisk og funksjonell avbildning av nanosystemer. ACS nano. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. Macpherson, J. V., Jones, C. E., Barker, A. L. &Unwin, P. R. Elektrokjemisk avbildning av diffusjon gjennom enkelt nanoskala porer. Analytisk kjemi. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. &Souto, R.M. In situ undersøkelse av kobberkorrosjon i sur kloridoppløsning ved hjelp av atomkraft – skanning av elektrokjemisk mikroskopi. Electrochimica Acta. 247 588-599, (2017).

Tabell 1: Eksempler på redoksmeglere som brukes i litteraturen.

Figur S1: Bilde som viser sammenheng mellom bipotentiostat og AFM-kontrolleren. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S2: Last inn PeakForce SECM-arbeidsområdet i programvaren. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S3: Navigasjonspanel for SECM-arbeidsområde. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S4: Kjør potensial for åpen krets – tid. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S5: Kjør syklisk voltammetri. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S6: Parameterinnstilling for måling av syklisk voltammetri. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S7: Parametere for en Chronoamperometry-måling. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S8: Start gjeldende lesing i AFM-SECM-programvare. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Figur S9: Parametere for amperometrisk i-t-teknikk. Klikk her for å laste ned denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En kombinert AFM-SECM-teknikk som muliggjør multimodal avbildning med høy oppløsning er beskrevet i denne protokollen. Denne teknikken gjør det mulig å kartlegge topografi samtidig med SECM-strømmen samlet eller kartlagt på enkle nanopartikler eller nanobobler. Eksperimenter ble utført ved hjelp av kommersielle sonder. Disse sondene ble designet for å gi kjemisk kompatibilitet med et bredt spekter av elektrokjemiske miljøer, elektrokjemisk ytelse, mekanisk stabilitet og flersyklushåndtering18. Stabiliteten og holdbarheten til AFM-SECM-sondene er imidlertid avgjørende for måling av elektrokjemisk informasjon med pålitelig og høy oppløsning. Som et resultat er trinnene nevnt i trinn 3.2 og 3.7 avgjørende for å beskytte AFM-SECM-spissen mot å ødelegge ved elektrostatisk utslipp. Detaljert diskusjon relatert til bestemte protokolltrinn beskrives også.

I trinn 3.4.5 ble 10 mM [Ru(NH3)6]3+ med støtteelektrolytt på 0,1 M KCl brukt i den presenterte testen. 5-10 mM er en vanlig brukt konsentrasjon av [Ru(NH3)6]3+ i litteratur for å oppnå gode strømsignaler30. Flere eksempler på ofte brukte redoksmeglere i AFM-SECM-målinger er oppsummert i diskusjonen (tabell 1).

I trinn 3.4.6 bekreftes kvaliteten og stabiliteten til elektroder med OCP-målingen. Hvis potensialet målt i OCP ikke er nær null eller ustabilt, må teller- og pseudoreferanseelektrodene kontrolleres. De mulige årsakene til ustabil OCP kan være festing av bobler på elektrodene eller elektrodene som ikke er nedsenket i væske.

I trinn 3.4.8 kan det potensielle området nevnt her "High E" og "Low E" være +0,3 V eller −0,3 V av "init E / Final E" er et trygt valg for å starte CV-testen. Deretter kan det potensielle området justeres basert på den potensielle verdien som førte til en platåstrøm i CV-kurven. Skannehastigheten kan variere mellom 0,01 V/s til 0,1 V/s. En høyere skannehastighet tilskriver en høyere følsomhet, men ladestrømmen vil også øke. Ved høye skannehastigheter presenterte også voltammogrammene forvrengte figurer64. En verdi med høyere følsomhet bør velges så lenge CV-testen ikke viser "overflyt". Hvis en "overflyt" -melding viste, bør følsomheten reduseres.

I trinn 3.5.2, for avbildning, ble AFM-SECM-bildebehandlingsprosessen utført ved hjelp av en løfteskanningsmodus med en løftehøyde som vanligvis er 40-150 nm. Hvis en lavere løftehøyde ble valgt, kan det være en mulighet for at spissen krasjer på prøveoverflaten. Hvis løftehøyden var for høy, kan den redusere gjeldende bildeoppløsning siden spissen er langt borte fra prøveoverflaten.

I trinn 3.5.3 i den presenterte måleprotokollen ble -0,4 V versus Ag/AgCl (-0,18 V versus NHE) valgt for å utføre reduksjonen av [Ru(NH3)6]3+. Sonden kan redusere [Ru(NH3)6]3+ til [Ru(NH3)6]2+ ved -0,35 til -0,5 V vs Ag wire pseudo-referanseelektrode, mens prøven kanskje partisk ved 0 til -0,1 V for [Ru(NH3)6]3+ regenerering. Denne verdien avhenger av platåstrømmen målt i CV-skanningen. Det vil også variere med forskjellige redoksmeglere som oppsummert i tabell 1.

Også kronoamperometriteknikken ble valgt på grunn av fraværet av amperometrisk i-t-teknikk i den presenterte bi-potentiostat. Hvis leserne har en bi-potentiostat som støtter amperometrisk i-t-teknikk, kan de angi i-t-teknikken som vist i Figur S9. Kjøretiden ble valgt som 2000 sekunder for å sikre at den er nok for minst én gjeldende bildebehandlingsprosess i AFM-SECM.

Videre er prøvepreparering også svært viktig siden de faste partiklene må immobiliseres på substratet helt slik at partikler ikke løsner under avbildningsprosessen. Videre, for å skanne eller sonde elektrokjemiske eller elektriske egenskaper til prøveflater (f.eks. elektrode), må bindingen mellom prøver og substrater sikre elektrisk ledningsevne. Prøveforberedelsesmetodene skal være nyttige og refereres til et bredt spekter av applikasjoner, spesielt for nanoobjektkarakterisering; Eksempler på immobiliseringsmetoder kan imidlertid variere med bestemte prøver65,66. Totalt sett demonstrerte vi at AFM-SECM muliggjør høyoppløselig avbildning av oksygen-NBer og Cu2O nanopartikler. Det er klart at denne AFM-SECM-protokollen forventes å spille viktige roller i interfacial elektrokjemisk analyse og vil ha brede anvendelser innen ulike forskningsfelt, for eksempel materialvitenskap, kjemi og biovitenskap1,19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet er finansiert av den nasjonale vitenskapsstiftelsen (Tildelingsnummer: 1756444) via Biologiske og miljømessige grensesnitt av nanomaterialer, USDA National Institute of Food and Agriculture, AFRI-prosjektet [2018-07549] og Assistance Agreement No. 83945101-0 tildelt av U.S. Environmental Protection Agency til New Jersey Institute of Technology. Det har ikke blitt formelt gjennomgått av EPA. Synspunktene uttrykt i dette dokumentet er utelukkende forfattere og gjenspeiler ikke nødvendigvis byråets. EPA støtter ikke produkter eller kommersielle tjenester som er nevnt i denne publikasjonen. Forfatterne takker også Undergraduate Research and Innovation program (URI) Phase-1 &Phase-2 ved 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

Tilbaketrekning utgave 168 Elektrokjemisk aktivitet AFM-SECM skanning elektrokjemisk mikroskop atomkraftmikroskop nanomaterialekarakterisering
Probing overflate elektrokjemisk aktivitet av nanomaterialer ved hjelp av en hybrid atomkraft mikroskop-skanning elektrokjemisk mikroskop (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