يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تقييم البورون مخدر الماس الكهربائي الجودة وتطبيق ل

14.6K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/53484

⸱

يناير 6, 2016

 , 
1Warwick Electrochemistry and Interfaces Group, Department of Chemistry, University of Warwick

في هذه المقالة

ملخص

يوصف بروتوكول لتوصيف المعلمات الكهروكيميائية الرئيسية لالبورون الماس مخدر (BDD) القطب والطلب اللاحق للفي تجارب الجيل درجة الحموضة الموقع.

الملخص

وقد أظهرت البورون الماس مخدر (BDD) أقطاب وعد كبيرا كمادة القطب حيث العديد من الخصائص التي أبلغت عنها مثل تمديد نافذة المذيبات والتيارات خلفية منخفضة، ومقاومة التآكل، وما إلى ذلك، تنشأ من طبيعة خاملة حفاز من السطح. ومع ذلك، إذا أثناء عملية النمو، غير الماس من الكربون (NDC) تندمج المصفوفة الكهربائي، وخصائص الكهروكيميائية تتغير يصبح السطح أكثر نشاطا تحفيزيا. على هذا النحو من المهم أن electrochemist تدرك نوعية والناجمة خصائص الكهروكيميائية الرئيسية من القطب BDD قبل استخدامها. وتصف هذه الورقة سلسلة من الخطوات التوصيف، بما في ذلك رامان المجهري، والسعة، نافذة المذيبات والأكسدة الكيمياء الكهربائية، للتأكد مما إذا القطب BDD يحتوي يذكر NDC أي لا تذكر س 2 الكربون. يتم تمييز تطبيق واحد الذي يستفيد من خاملة تحفيزياوتآكل الطبيعة مقاومة من سطح مجانا NDC-بروتون، أي المحلي مستقر وقابل للقياس وإنتاج هيدروكسيد بسبب التحليل الكهربائي للماء في القطب الاضطراب. كما وصفت نهجا لقياس التغير درجة الحموضة المحلي الناجم عن التحليل الكهربائي للماء باستخدام أكسيد إيريديوم المغلفة أقطاب هذا الاضطراب في التفاصيل.

المقدمة

اختيار المواد القطب هو من أهمية كبيرة عند إجراء أي دراسة التحليل الكهربائي. في السنوات الأخيرة، س 3 الكربون (الماس) مخدر مع البورون كافية لتقديم المواد أصبحت "المعادن مثل" خيارا شعبيا لمجموعة واسعة من التطبيقات التحليل الكهربائي بسبب الكهروكيميائية الممتازة (والحرارية والميكانيكية) خصائص 1،2 (3). وتشمل هذه المقاومة للتآكل تحت الحل ودرجة الحرارة وضغط الظروف القاسية 4 نوافذ المذيبات واسعة جدا، والتيارات خلفية منخفضة، وانخفاض قاذورات، بالمقارنة مع غيرها من المواد الكهربائي تستخدم عادة 5-7،3. إلا أن زيادة غير الماس من الكربون (NDC: س 2) النتائج المحتوى في إطار المذيبات تناقص، وزيادة التيارات خلفية 7،8، والتغيرات في كل من السلامة الهيكلية والحساسية تجاه أنواع المجال الأكسدة داخلية مختلفة، على سبيل المثال. الأكسجين 12/09.

ملاحظة عن ذلكلي التطبيقات، ويعتبر وجود الحفر الوطنية كما المفيد 13. وعلاوة على ذلك، إذا لا يحتوي على مادة البورون يكفي انها سوف تتصرف على أنها نوع ف أشباه الموصلات وتظهر انخفاض حساسية لأنواع الأكسدة والاختزال في إطار المحتمل التخفيض، حيث تشتد المنضب والمواد من حاملات الشحنة 7. وأخيرا، والكيمياء سطح البورون مخدر الماس (BDD) يمكن أيضا أن تلعب دورا في الاستجابة الكهروكيميائية المرصودة. وهذا ينطبق بشكل خاص على الأنواع المجال الداخلية التي تعتبر حساسة للكيمياء السطوح وخفض الماس مخدر حيث الهيدروجين (H -) - سطح إنهاء قد جعل السلكية شبه BDD القطب تظهر "المعادن مثل" 7.

للاستفادة من خصائص متفوقة من هذا الاضطراب، فإنه غالبا ما يكون ضروريا هو مخدر المواد بما فيه الكفاية ويحتوي NDC أقل قدر ممكن. تعتمد على الطريقة المتبعة لزراعة هذا الاضطراب، ويمكن خصائص تختلف 14،15. هذه الورقة تقترح أولا المواد والمنتخبrochemical توصيف دليل بروتوكول لتقييم هذا الاضطراب الكهربائي صلاحيتها قبل استخدامها (أي البورون كافية، والحد الأدنى NDC)، ثم يصف تطبيق واحد على أساس تغيير محليا درجة الحموضة electrochemically باستخدام القطب التحقق البروتوكول. هذه العملية تستغرق الاستفادة من مرونة سطح NDC خالية BDD نحو تآكل أو حل في إطار تطبيق أقصى إمكانات تطبيقها (أو تيارات) لفترات طويلة من الزمن. ولا سيما استخدام القطب BDD لتوليد بروتون مستقرة (H +) أو هيدروكسيد (OH -) الطلاءات بسبب الكهربائي (الأكسدة أو تخفيض على التوالي) من الماء على مقربة من ثانية (استشعار) 16،17 يوصف هنا.

وبهذه الطريقة من الممكن السيطرة على البيئة الرقم الهيدروجيني للاستشعار بطريقة منهجية، على سبيل المثال للتجارب درجة الحموضة المعايرة، أو لإصلاح درجة الحموضة في قيمة حيث عملية الكهروكيميائية هي الأكثر حساسية. هذا الأخير هو مفيدة بشكل خاص للتطبيقات حيث يتم وضع أجهزة الاستشعار في المصدر، مثل الأنهار والبحيرات والبحر والرقم الهيدروجيني للنظام ليست المثلى لقياس الكهروكيميائية من الفائدة. وتشمل مثالين الأخيرة: (ط) جيل لانخفاض الرقم الهيدروجيني المحلية، في درجة الحموضة حل محايد، لالكهربي وتجريد من الزئبق 17؛ ملاحظة هذا الاضطراب هو مادة المفضلة لالكهربي للمعادن نتيجة لنافذة الكاثودية موسعة 9،18،19. (ب) الكمي لشكل اكتشاف electrochemically من كبريتيد الهيدروجين والحاضر في درجة الحموضة العالية، عن طريق زيادة محليا درجة الحموضة من الحياد إلى القلوية بقوة 16.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

ملاحظة: تزرع أقطاب هذا الاضطراب الأكثر شيوعا باستخدام تقنيات ترسيب الأبخرة الكيميائية، وتعلق على ركيزة النمو. خروجها من غرفة نمو H إنهاء (مسعور). إذا نمت سميكة بما فيه الكفاية لهذا الاضطراب يمكن إزالتها من الركيزة ويسمى قائما بذاته. وغالبا ما مصقول السطح نمو BDD قائما بذاته لخفض كبير خشونة السطح. تنظيف BDD في نتائج الحمض في الأكسجين (O) سطح -terminated.

1. حمض تنظيف BDD

  1. وضع كوب من حمض الكبريتيك المركز (H 2 SO 4؛ ~ 2 مل أو عميقة بما فيه الكفاية لتغطية الماس) على طبق ساخن في RT وإدراج هذا الاضطراب.
  2. إضافة نترات البوتاسيوم (كنو 3) حتى يذوب لم تعد (~ 0.5 غرام في 2 مل)، ثم تغطي مع الزجاج ووتش والحرارة إلى ~ 300 درجة مئوية، والحل تتحول البني لأنها تسخن وسوف نترات البوتاسيوم حل.
    تحذير يجب توخي الحذر عند التعامل مع حمض حار!. قفازات مطاطية والسلامة زيجب أن ترتديه lasses ومعطف المختبر ويجب أن تتم هذه العملية في غطاء الدخان.
  3. ترك للحرارة لمدة 30 دقيقة على الأقل أو حتى لم يعد هناك أي لون البني إلى الحل، ثم إيقاف طبق ساخن وترك الحل لتبرد لRT.
  4. التصرف بعناية من الحامض عن طريق تمييع في الماء RT وشطف BDD مع الماء المقطر.
  5. قياس زاوية الاتصال السطح، انظر القسم 1.2. وأفادت 20،21 أقطاب الزوايا الاتصال في حدود 60-90 درجة 3، مما يقلل بشكل ملحوظ حيث يتم تقديم سطح ماء من خلال O-إنهاء مسعور (منتهية H).
  6. (طريقة اختياري بديل) لأقطاب رقيقة جدا (تعلق على الركيزة النمو وتجنب فيلم التبطين باستخدام العلاج أعلاه)، ويغسل مرة واحدة مع 2-بروبانول ومرتين بالماء منزوع الأيونات في حمام بالموجات فوق الصوتية. ثم، واعتماد واحدة من إجراءات التنظيف الثلاثة التالية (1) anodically استقطاب الماس لمدة 30 دقيقة في 10 مللي أمبير سم -2 في 1 M حمض البيركلوريك في 40 ° C 22؛ أو (2) استقطاب anodically الماس لمدة 20 دقيقة في 10 مللي أمبير سم -2 في 1 M حمض النيتريك، ثم في وقت لاحق استقطاب cathodically في 10 مللي أمبير سم -2 ل20 دقيقة أخرى في نفس الحل أو 23؛ (3) ويتحقق الماس بين 2 V 0.1 في MH 2 SO 4 حتى إشارة الكهروكيميائية مستقرة 7 دورة. اتبع هذه الخطوة 1.4.

2. اتصل زاوية القياس

  1. وضع الماس على المسرح عينة من محلل زاوية الاتصال، وضمان أنها مسطحة. وضع حقنة 1 مل في مناور فوق خشبة المسرح عينة، وتأمين إبرة في نهاية المطاف. ملء الحقنة مع الماء منزوع الأيونات.
  2. استخدام وحدة تحكم ض لخفض حقنة لعينة، استخدم س - و y - وحدات التحكم والكاميرا / إضاءة للتوفيق بين حقنة فوق مركز الماس.
  3. باستخدام برنامج محلل الاستغناء تكرار 1 ميكرولتر نظام القبولوفاق من المياه من الحقنة حتى تتشكل قطرات على رأس الإبرة، مرئية على صورة الكاميرا (أبدا أكثر من 10 ميكرولتر). خفض إبرة لإيداع قطرات على سطح وضبط الإضاءة لأقصى قدر من التباين.
  4. جمع صورة، وتطبيق قطرة برامج التحليل الشكل، وذلك باستخدام أسلوب قسم مخروطي. انقر على "إيجاد خط الأساس" في البرنامج، ومن ثم انقر فوق "الحساب"، يليه "الظل".
    ملاحظة: هذا الإجراء بالكشف عن خط الأساس ويناسب معادلة مخروطي ل(بيضاوي الشكل) إسقاط الشكل؛ زاوية الاتصال، θ، يسترعى بين خط الأساس والمماس عند نقطة الاتصال ثلاث مراحل.

3. BDD المواد توصيف

  1. تحليل رامان ليرة سورية 2 / س 3 المحتوى
    1. تنفيذ رامان (أنظر المرجع 14 لدليل عملي رامان الطيفي) في عدة مجالات مختلفة من القطب الاضطراب، 24 استخدام 514.5 نانومتر أو532 نانومتر الليزر، والتي تؤكد س 2 المحتوى، ودعا.
    2. بدوره على مطياف رامان الصغرى والسماح ~ 30 دقيقة للكشف عن CCD ليبرد. تحقق من العدسة المناسبة، صريف الحيود والمرشحات في مكان للاستخدام مع الليزر في الاختيار.
    3. معايرة نظام باستخدام السيليكون (سي) عينة المعايرة. وضع الركيزة سي في غرفة الصك والتركيز بصريا على عينة مع المجهر. اغلاق باب الغرفة. التبديل إلى طريقة عرض ليزر وتحقق يعرف جيدا بقعة الليزر والتعميم. معايرة باستخدام البرامج، انقر فوق "أدوات"، يليه "معايرة" "معايرة سريعة" ثم ثم "موافق".
    4. إزالة الركيزة سي من غرفة واستبدالها مع القطب الاضطراب. التركيز بصريا المجهر في مجال الاهتمام، والتحول إلى عرض ليزر وفتح مصراع للتأكد من أن تركز الليزر. إغلاق مصراع.
    5. أخذ قياس رامان باستخدام البرمجيات؛ أنقرك "قياس" ثم بعد ذلك "الجديد" "الاستحواذ الطيفي." تعيين نطاق القياس متجه مموج موجه لتغطية الميزات المثيرة للاهتمام، لهذا الاضطراب وهذا هو 200 - 1800 سم -1. ضبط الوقت اقتناء الفحص (<10 ثانية). تعيين قوة الليزر إلى 100٪ (لBDD) و. تعيين عدد من التراكمات (تكرار المسح الضوئي) إلى خمسة (لBDD). إذا الطيف الناتج هو صاخبة جدا قد يكون من الضروري المزيد من التراكمات. المدى الصحافة وحفظ الطيف الناتج عن التحليل. التقاط صورة من المنطقة تم تنفيذ رامان في استخدام لقطات فيديو حية. حفظ الصورة كمرجع.
    6. مراقبة ذروة ~ 1332 سم -1 في الطيف الذي يشير س 3 الماس (الشكل 1)؛ الأوسع نطاقا الذروة والمزيد من العيوب الحالية 3،25.
    7. مراقبة أي NDC - أشار ذروة G واسعة تركزت في 1575 سم -1 26، في أطياف (1A الشكل و1B)، والتي تنشأ من تمتد ليرة سورية يقترن <سوب> 2 المواقع؛ كلما زادت كثافة الذروة أكثر NDC الحاضر.
      ملاحظة: السندات π التي شكلتها س 2 C أكثر من قطوب س 3 σ السندات وعززت resonantly بواسطة الليزر مرئية، مما أدى إلى أوسع، وأكثر المهيمنة، G قمم 25. لاحظ أن الأسلوب المحدد تستخدم لإجراء تحليلات قد تختلف بين الصكوك والبرامج المختلفة.

4. الكهروكيميائية توصيف

  1. إعداد اتصالات أومية
    1. طليق BDD
      1. باستخدام التقنيات القياسية تفل (أو تتبخر) مساعدات من هذا الاضطراب مع التيتانيوم (تي) / الذهب (الاتحاد الافريقي) 10 نانومتر / 300 نانومتر، وذلك باستخدام الباصق / المبخر عند ضغوط أقل من 1 × 10 -5 ميللي بار. إذا كان مصدر ثلاثة الهدف هو متاح، هو أكثر مثالي تي 10 نانومتر / البلاتين (حزب العمال) 10 نانومتر / الاتحاد الافريقي 300 نانومتر لتجنب انتشار تي في الاتحاد الافريقي.
      2. يصلب لمدة 5 ساعة على 400 درجة مئوية (الضغط الجوي) تمكين تي لتشكيل كربيد التيتانيوم، crucالاتحاد العالمي للتعليم عن تشكيل الاتصال أومية 27.
        ملاحظة: إذا كان السطح الخلفي من هذا الاضطراب هو مصقول للغاية (~ نانومتر خشونة) ثم فإنه يفضل أن يكون خشن السطح قبل تفل ترسب لضمان طلاء أكثر قوة. ويمكن تحقيق ذلك من خلال، على سبيل المثال، الليزر منخفض الطاقة متناهي الصغر السطح (إزالة <30 ميكرون المادية).
    2. رقيقة الماس فيلم نمت على ركيزة إجراء
      1. تفل / تتبخر على النحو الوارد أعلاه، ولكن على الوجه العلوي، وذلك باستخدام قناع الظل وضع بلطف على السطح العلوي لتجنب أعلى الاتصال الكهربائي بأكمله.
        أو
      2. خدش الجزء الخلفي من الركيزة إجراء باستخدام الماس يميل القلم. ثم معطف مجال خدش مع إجراء لصق حج أو الطلاء موصل مماثل من جانب اللوحة على طبقة رقيقة مع الفرشاة الصغيرة. وأخيرا، ربط بالكهرباء عن طريق ربط الأسلاك النحاسية مع مادة لاصقة موصل.
        ملاحظة: هناك مجموعة متنوعة من الطرق لإعداد هذا الاضطراب بعد المنتخبالاتصال rical كما هو موضح في إشارة 4، على سبيل المثال إذا كان هذا الاضطراب يمكن تشكيله في هياكل أصغر، وختم في الزجاج أو الايبوكسي، أو إذا كانت لا تزال تعلق على المشبك رقاقة / إرفاق خلية كهروكيميائية إلى السطح العلوي.
  2. السعة القياسات
    1. إعداد 20 مل من 0.1 M كنو 3 الحل عن طريق وزنها 0.20 جرام في الماء المقطر مزدوجة (ينصح هذا نوعية المياه في جميع أنحاء، المقاومة 18.2 M سم). تنظيف الكهربائي قبل استخدامها إما عن طريق تلميع الألمنيوم أو من قبل ركوب الدراجات electrochemically في حمض المخفف (انظر القسم 1 ملاحظة) 16،23،28.
    2. باستخدام potentiostat تشغيل voltammograms دوري (السير الذاتية) في 0.1 ثانية V -1 بين -0.1 V و 0.1 V، ابتداء من الساعة 0 V، مع هذا الاضطراب كما القطب العمل مقابل الإلكترود المرجعي المشترك، مثل الفضة والفضة / كلوريد (حج / أجكل ) أو قطب الكالوميل المشبعة (SCE)، وعداد الكهربائي حزب العمال. تحليل CV الثانية.
      ملاحظة: الشكل 2A يظهر منحنى السعة نموذجية سجلت مع معدني قائما بذاته مخدر BDD الكهربائي.
    3. قياس إجمالي حجم الحالي في 0 V من منحنى السعة تسجيلها والقسمة على 2، وهذه القيمة هي "أنا". تحديد السعة، C، وذلك باستخدام قيمة ط، مع المعادلة 1، وتطبيع فيما يتعلق قطب كهربائي منطقة (المحاسبة عن خشونة السطح إذا كان ذلك مناسبا) واقتبس في μF سم -2. ذات جودة عالية، "المعادن مثل" BDD لديه السعة << 10 μF سم -2. استخدام أي بيانات البرمجيات بالتآمر لتقديم وتحليل البيانات.
      ط = C (فاتو -1) (مكافئ 1)؛
      حيث i غير الحالي (A) و (V ر -1) هو معدل المسح المحتملين.
  3. نافذة المذيبات
    1. تنظيف الكهربائي كما في الخطوة 4.2.1. باستخدام potentiostat تشغيل CV في 0.1 M كنو 3 في 0.1 ثانية V -1 من 0 V ل-2 V ثم بين -2 V و+2 الخامسالثانية إلى 0 V مع هذا الاضطراب كما القطب العمل مقابل الإلكترود المرجعي المشترك وحزب العمال عداد الكهربائي. كرر. تحليل CV الثانية، مثال يظهر CV في الشكل 2B.
    2. تحويل التيار إلى كثافة التيار (أمبير سم -2)، مع خشونة السطح في الاعتبار، وأقتبس من نافذة المذيبات كنافذة المحتملة التي يحددها الحدود الحالية ل± 0.4 مللي أمبير سم -2 في كلا الاتجاهين. 7،29 استخدام أي بيانات البرمجيات بالتآمر لعرض وتحليل البيانات.
    3. مراقبة دليل على NDC (س 2 الكربون) في إطار المذيبات. ورجح تفاعل اختزال الأكسجين في NDC الذي ظهر جليا في نافذة التخفيض. أكسدة س 2 مجموعات تحتوي على النتائج كما في القمم مميزة قبل التحليل الكهربائي للماء في إطار انوديك (الشكل 2B).
      ملاحظة: جودة عالية "معدني" أقطاب BDD نوافذ المذيبات >> 3 V، لا تدعم REAC الحد من الأوكسجيننشوئها (أور) في 0.1 M كنو 3 (أو ORR هو بقوة المتخلفين حركيا) وتظهر تذكر NDC التوقيعات الأكسدة.
  4. الأكسدة الكيمياء الكهربائية
    1. تنظيف الكهربائي كما في الخطوة 4.2.1.
    2. باستخدام السير الذاتية سجل potentiostat في 1 ملي روثينيوم hexaamine (رو (NH 3) 6 3+) و 0.1 M كنو 3 بين +0.2 V و-0.8 V مقابل SCE، لمعدلات المسح الضوئي في نطاق 0.05 V ثانية -1 - 0.2 V ثانية -1.
      ملاحظة: يظهر هذا الزوج نقل الإلكترون سريع وغير electroactive في المنطقة التي تتحدى ف نوع شبه الموصلة BDD. س 2 تحتوي سوف BDD تظهر أيضا ORR في هذه المنطقة، وإشارة لهذا الأخير هو أكثر ما يتضح تركيز رو (NH 3) 6 3+ هو تناقص.
    3. قياس فصل التيار الكهربائي بين انوديك والكاثودية ذروة الحالية (Δ E ع) من السيرة الذاتية المسجلة، ودرجة الحرارة كما هو موضح 20.ل "المعادن مثل" اتصلت ohmically منتهية الأكسجين BDD في 298 K، E Δ ص <70 بالسيارات 30،31. Δ E أكبر القيم ص دليلا على وجود اتصال أومية الفقراء أو محتوى أقل من البورون، كما هو مبين في الشكل 2C لأقطاب هذا الاضطراب من كثافة إشابة في حدود 9.2 × 16-03 أكتوبر × 10 20 B ذرات سم -3.
    4. قياس الذروة الحالية الفحص إلى الأمام، وأنا ف، وترتبط مع أن المتوقع من المعادلة Randles Sevcik 2 (نقلت في 298 K) 3،30، على افتراض القطب في الهندسة وكبيرة بما فيه الكفاية على شكل قرص (قطر 1 ملم) يهيمن على أن نشر الخطية. استخدام أي بيانات البرمجيات بالتآمر لتقديم وتحليل البيانات.
      ط ع = 2.69 × 10 5 ن 3/2 AD 02/01 02/01 السيرة الذاتية (مكافئ 2)
      حيث nهو عدد الإلكترونات نقل، A هو منطقة (سم 2)، D هو معامل الانتشار (سم 2 ثانية -1)، ج هي التركيز (مول سم -3) والخامس هو معدل المسح (V ثانية -1).

5. درجة الحموضة الجيل: إعداد الرقم الهيدروجيني الكهربائي الحساسة والجيل الحموضة

  1. الايريديوم أكسيد (الرقم الهيدروجيني الحساسة) إعداد الحل
    1. إعداد 20 مل 0.1 M كنو 3 الحل كما هو الحال في القسم 5.4.1. إضافة 5 قطرات من محلول مؤشر الفينول باستخدام ماصة باستور ويحرك (وهذا يكفي لرؤية رد العين، ولكن للون أكثر كثافة، إضافة المزيد من قطرات). ضع هذا الاضطراب الكهربائي العمل وحزب العمال عداد الكهربائي في الحل.
    2. ضبط درجة الحموضة من الحل إلى 10.5 بإضافة الملح اللامائي كلوريد البوتاسيوم، مع التحريك باستمرار. ترك تغطيتها والتحريك لمدة 48 ساعة على RT لتحقيق الاستقرار في هذه المرحلة الحل لن تذهب تدريجيا من اللون الأصفر والأخضر لالأزرق الأرجواني. تخزينها في الثلاجة في 3 ° C.
  2. الرقم الهيدروجيني الحساسة إيريديوم أكسيد السينمائي ترسب
    1. باستخدام potentiostat تشغيل CV في حل أكسيد الايريديوم بين 0 V و+1 V مقابل SCE لتحديد إمكانية الذي يتم تسجيله الحد الأقصى الحالي. هذا هو احتمال ترسب، E إقلاع كما هو مبين في الشكل 3A، وعادة الكذب بين ~ + 0.6 V - +0.85 V؛ يمكن أن يختلف وفقا لعدد من العوامل مثل درجة الحرارة والمواد القطب الخ 32، 33
    2. باستخدام chronoamperometry مع potentiostat، خطوة الإمكانات من 0 V ("E الأولي" و "منخفض E" في البرنامج)، حيث لم يحدث الكهربائي لE إقلاع ("العليا E" في البرنامج)، لفترة زمنية من 0.2 ثانية في خطوة، كرر 100X.
    3. تشغيل CV بين 0 V و+1 V 0.1 في MH 2 SO 4 لIRO X أودعت الكهربائي. الشخصيةويظهر الشكل ISTIC CV في الشكل 3B. A الكثافة الحالية في المدى ~ 0.6 مللي أمبير سم -2 - 0.7 مللي أمبير سم -2 لذروة انوديك الأولى (أي بمتوسط ​​سمك الفيلم من ~ 8 نانومتر 0.7 مللي أمبير سم -2)، يشير إلى وجود فيلم حساس درجة الحموضة مستقرة 34، 35.
    4. إذا كانت الكثافة الحالية أقل من 0.6 مللي أمبير سم -2 كرر الخطوات من 5.2.2 - 5.2.4 حتى يتم التوصل إلى هذه القيمة. ترك القطب في درجة الحموضة 7 حل العازلة لمدة 24 ساعة لترطيب كما رد IRO فيلم X هو 33 التي تعتمد على الماء.
  3. IRO فيلم X درجة الحموضة توصيف
    1. إعداد سلسلة من الحلول العازلة التي تغطي مجموعة ودرجة الحموضة من الفائدة (الرقم الهيدروجيني 2 - درجة الحموضة 12)، وهذه يمكن أن تكون مصنوعة في المنزل (على سبيل المثال Carmody 36) أو شراؤها تجاريا.
    2. شطف الكهربائي مع الماء المقطر. وضع IRO العاشر القطب والقطب المرجعية في حل العازلة من أدنى درجة الحموضة. باستخدام potentiostatتسجيل إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) أكثر من 30 ثانية، مع ثلاثة يكرر. إزالة القطب من الحل، شطف ومكان في المخزن المؤقت المقبل.
    3. كرر الخطوة 5.3.2 لكل العازلة، ثم تكرار سلسلة مرتين على الأقل. مؤامرة درجة الحموضة مقابل OCP، والمؤامرة معايرة للاستجابة الفيلم. فيلم IRO س يسلك منحدر مع التدرج بين 59-80 بالسيارات في العقد 37.
      ملاحظة: يبين الشكل 3C مؤامرة سبيل المثال المعايرة لIRO س الناجح استشعار درجة الحموضة في هذا الاضطراب.
  4. باستخدام مولد الحموضة ونظام القياس
    ملاحظة: هذا يفترض استخدام نظام القطب المزدوج حيث يتم المغلفة الكهربائي واحدة مع IRO فيلم X (مثل قرص) والثانية (على سبيل المثال حلقة BDD) سوف تولد H + أو OH - galvanostatically من التحليل الكهربائي للماء.
    1. إعداد 20 مل 0.1 M كنو 3 الحل بإضافة الماء منزوع الأيونات إلى الملح. ربط IRO س المغلفةالقطب كما القطب العمل في نظام القطب اثنين، مع القطب الثاني مستقر القطب المرجع على سبيل المثال SCE. قياس OCP باستخدام potentiostat، لإنشاء درجة الحموضة البدء.
    2. توصيل المولد الكهربائي لنظام galvanostatic اثنين القطب مناسبة مع القطب المضاد، مثل حزب العمال احباط، وكرر الخطوة 5.4.1، ولكن بعد فترة محددة من الزمن تطبيق التيار إلى المولد الكهربائي.
      ملاحظة: نجد التيارات في النطاق من 0 إلى ± 50 أمبير هي مناسبة مع أقطاب BDD لدينا؛ التيارات أكبر نتيجة في تطور الغاز ملموس. حجم واتجاه التيار يعتمد على النتيجة المرجوة. سوف تيار إيجابي يؤدي إلى التحول إلى درجة الحموضة أكثر حمضية وتيار السلبي لمزيد من درجة الحموضة القلوية، أكبر الحالي كلما تغير الرقم الهيدروجيني.
    3. باستخدام potentiostat، تسجيل التغير في OCP في استجابة للتيار galvanostatic، والانتظار حتى تستقر الاستجابة. ثم ضع IRO س القطب في درجة الحموضة 7 عازلة لمدة 10 دقيقة لإعادة تتوازن-وIRO فيلم X.
    4. كرر الخطوات من 5.4.2 إلى 5.4.3 مع التيارات التطبيقية المختلفة، حتى تم جمع جميع البيانات المطلوبة. رسم البيانات باستخدام منحنى المعايرة التي تم الحصول عليها في القسم 5.3 لتحويل OCP لدرجة الحموضة، يظهر مجموعة البيانات المثال في الشكل 4A. إزالة IRO فيلم X باستخدام تلميع الألمنيوم أو يتقطع في 0.1 MH 2 SO 4 من +2 إلى -2 V V 0.2 ثانية، و× 100. تنطبق على نظام قياس الفائدة.
  5. التقييم البصري للجيل درجة الحموضة المحلي
    1. إعداد 20 مل 0.1 M كنو 3 الحل كما هو الحال في القسم 5.4.1. إضافة 5 قطرات من محلول مؤشر الفينول باستخدام ماصة باستور ويحرك (وهذا يكفي لرؤية رد العين، ولكن للون أكثر كثافة، إضافة المزيد من قطرات). ضع هذا الاضطراب الكهربائي العمل وحزب العمال عداد الكهربائي في الحل.
    2. تطبيق السلبية الحالية إلى القطب العمل باستخداموgalvanostat كما في الخطوة 5.4.2 (على سبيل المثال ~ -0.6 مللي أمبير سم -2) مثل أن الحل يتغير لون من عديم اللون إلى اللون الوردي. هذا الآن يولد محليا الحل الذي هو في درجة الحموضة ≥ 10.5.
    3. كرر الخطوة 5.5.1 مع 5 قطرات من الميثيل حل حمراء بدلا من الفينول ويقلب. تطبيق إيجابية بما يكفي الحالي (على سبيل المثال ~ 6.6 مللي أمبير سم -2) مثل أن الحل يتغير لون من الأصفر إلى الأحمر. هذا الآن يولد محليا الحل الذي هو في درجة الحموضة ≤ 4.2 38.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

وقد تم الحصول على أطياف رامان والكهروكيميائية الخصائص لتمثيلية BDD أقطاب macrodisc ذات الكثافة إشابة مختلفة، وكلا مستويات كبيرة وصغيرة جدا من NDC، أرقام 1 و 2. أرقام 1A و B تظهر البيانات رامان نموذجية لNDC التي تحتوي على رقيقة الجريزوفولفين فيلم BDD وأكبر من الحبوب قائما بذاته BDD، مخدر فوق عتبة المعدنية، على التوالي. وجود NDC هو التعرف عليها عن طريق القمم واسعة وصفت بين 1400 و 160...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

بدءا من سطح منتهية O ودعا لأن سطح منتهية H غير مستقر electrochemically، وخاصة في إمكانات انوديك عالية 7،40،41. يمكن تغيير إنهاء السطح تؤثر على حركية نقل الإلكترون من الأزواج المجال الداخلية، مثل التحليل الكهربائي للماء (المستخدمة هنا لتغيير درجة الحموضة حل المحلية). وعلاوة على ذلك، إذا كان هذا الاضطراب يحتوي NDC كبير في حدود الحبوب فمن الممكن أيضا أن بناء على طلب من انوديك المدقع / الإمكانيات الكاثودية دعت في هذه المقالة لتوليد درجة الحموضة، والحفر يمكن أن تحدث في هذه ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

ونود أن نشكر الدكتور جوناثان نيولاند للصورة في الشكل 4B و لمعالجة الصور المجهر الضوئي للفيديو، وملكة جمال جنيفر ويب للحصول على المشورة وصور على قياسات زاوية الاتصال، والآنسة سزي يين تان للإطار المذيبات البيانات في الشكل 2B الدكتور مكسيم جوزيف لتقديم المشورة بشأن رامان الطيفي، وأيضا أعضاء في وارويك الكيمياء الكهربائية واجهات المجموعة الذين ساهموا في تطوير البروتوكولات المذكورة في هذه الوثيقة. كما نود أن نشكر ماكس يوسف، Lingcong منغ، زوي ايريس وروي Meyler لدورهم في تصوير البروتوكول.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
Pt سلكعداد القطب
المشبع Calomel الكهربائيIJ Cambria Scientific Ltd.2056القطب المرجعي (بدلا من ذلك استخدم Ag |AgCl)
BDD القطبالكهربائي الكهربائي
إيريديوم رباعي كلوريدVWR International Ltd12184.01
بيروكسيد الهيدروجينسيجما-ألدريتشH1009(30٪ وزن / وزن)
حمض الأكساليكسيجما ألدريتش241172ضارة ومهيجة
كلوريد البوتاسيوم اللامائيسيجما ألدريتش451029
حمض الكبريتيكVWR International Ltd102765G(98٪)
نترات البوتاسيومسيجما ألدريتش221295
هيكسامين كلوريد الروثينيومستريم كيماويات شركة.44-0620
حمض البيركلوريكسيجما ألدريتش311421الأكسدة ، تآكل
2-بروبانولسيجما-ألدريتش24137القابل للاشتعال
سيجما ألدريتش695033
للتآكل مع Ti & Au يستهدف
Raman514.5 نانومتر
فرنليزر قادر على 400 درجة ؛ معجون C
AgSigma-Aldrich735825أو غيرها من الطلاء الموصل
Potentiostat
حلول الأس الهيدروجيني العازلةSigma-Aldrich38740-38752مركزات العازلة Fixanal
مؤشر الفينول فثالينVWR International Ltd210893Q
مؤشر الميثيل الأحمرسيجما ألدريتش32654
المسبب للتآكل   ؛ المسببة للتآكل المهيج حمض النيتريك الأكسدة ، الرش / التبخر المسببة تلدين

المراجع

  1. Angus, J. C. Ch. 1, Synthetic Diamond Films: Preparation, Electrochemistry, Characterization and Applications. Electrochemistry on diamond: History and current status. Brillas, E., Huitle, C. A. M. , John Wiley & Sons, Inc. (2011).
  2. Fujishima, A. Diamond Electrochemistry. , BKC. (2005).
  3. Macpherson, J. V. A practical guide to using boron doped diamond in electrochemical research. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (5), 2935-2949 (2015).
  4. Balmer, R. S., et al. Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (36), 364221(2009).
  5. Swain, G. M., Ramesham, R. The electrochemical activity of boron-doped polycrystalline diamond thin film electrodes. Analytical Chemistry. 65 (4), 345-351 (1993).
  6. Luong, J. H. T., Male, K. B., Glennon, J. D. Boron-doped diamond electrode: synthesis, characterization, functionalization and analytical applications. Analyst. 134 (10), 1965-1979 (2009).
  7. Hutton, L. A., et al. Examination of the Factors Affecting the Electrochemical Performance of Oxygen-Terminated Polycrystalline Boron-Doped Diamond Electrodes. Analytical Chemistry. 85 (15), 7230-7240 (2013).
  8. Bennett, J. A., Wang, J., Show, Y., Swain, G. M. Effect of sp2-Bonded Nondiamond Carbon Impurity on the Response of Boron-Doped Polycrystalline Diamond Thin-Film Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 151 (9), E306-E313 (2004).
  9. Martin, H. B., Argoitia, A., Landau, U., Anderson, A. B., Angus, J. C. Hydrogen and Oxygen Evolution on Boron-Doped Diamond Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 143 (6), L133-L136 (1996).
  10. Panizza, M., Cerisola, G. Application of diamond electrodes to electrochemical processes. Electrochimica Acta. 51 (2), 191-199 (2005).
  11. Williams, O. A. Nanocrystalline diamond. Diamond and Related Materials. 20 (5-6), 5-6 (2011).
  12. Patel, A. N., Tan, S. -y, Miller, T. S., Macpherson, J. V., Unwin, P. R. Comparison and Reappraisal of Carbon Electrodes for the Voltammetric Detection of Dopamine. Analytical Chemistry. 85 (24), 11755-11764 (2013).
  13. Watanabe, T., Honda, Y., Kanda, K., Einaga, Y. Tailored design of boron-doped diamond electrodes for various electrochemical applications with boron-doping level and sp2-bonded carbon impurities. physica status solidi (a). 211 (12), 2709-2717 (2014).
  14. Poferl, D. J., Gardner, N. C., Angus, J. C. Growth of boron-doped diamond seed crystals by vapor deposition. Journal of Applied Physics. 44 (4), 1428-1434 (1973).
  15. Spitsyn, B. V., Bouilov, L. L., Derjaguin, B. V. Vapor growth of diamond on diamond and other surfaces. Journal of Crystal Growth. 52 (Pt 1), 219-226 (1981).
  16. Bitziou, E., et al. In Situ Optimization of pH for Parts-Per-Billion Electrochemical Detection of Dissolved Hydrogen Sulfide Using Boron Doped Diamond Flow Electrodes. Analytical Chemistry. 86 (21), 10834-10840 (2014).
  17. Read, T. L., Bitziou, E., Joseph, M. B., Macpherson, J. V. In Situ Control of Local pH Using a Boron Doped Diamond Ring Disk Electrode: Optimizing Heavy Metal (Mercury) Detection. Analytical Chemistry. 86 (1), 367-371 (2014).
  18. Manivannan, A., Tryk, D., Fujishima, A. Detection of Trace Lead at Boron-Doped Diamond Electrodes by Anodic Stripping Analysis. Electrochemical and solid-state letters. 2 (9), 455-456 (1999).
  19. Manivannan, A., Seehra, M. S., Tryk, D. A., Fujishima, A. Electrochemical detection of ionic mercury at boron-doped diamond electrodes. Analytical Letters. 35 (2), 355-368 (2002).
  20. Boukherroub, R., et al. Photochemical oxidation of hydrogenated boron-doped diamond surfaces. Electrochemistry Communications. 7 (9), 937-940 (2005).
  21. Yagi, I., Notsu, H., Kondo, T., Tryk, D. A., Fujishima, A. Electrochemical selectivity for redox systems at oxygen-terminated diamond electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 473 (1), 173-178 (1999).
  22. Duo, I., Levy-Clement, C., Fujishima, A., Comninellis, C. Electron Transfer Kinetics on Boron-Doped Diamond Part I: Influence of Anodic Treatment. Journal of Applied Electrochemistry. 34 (9), 935-943 (2004).
  23. Mahé, E., Devilliers, D., Comninellis, C. Electrochemical reactivity at graphitic micro-domains on polycrystalline boron doped diamond thin-films electrodes. Electrochimica Acta. 50 (11), 2263-2277 (2005).
  24. Vandenabeele, P. Practical Raman spectroscopy: an introduction. , John Wiley & Sons. (2013).
  25. Filik, J. Raman spectroscopy: a simple, non-destructive way to characterise diamond and diamond-like materials. Spectroscopy Europe. 17 (5), 10(2005).
  26. Tuinstra, F., Koenig, J. L. Raman Spectrum of Graphite. The Journal of Chemical Physics. 53 (3), 1126-1130 (1970).
  27. Tachibana, T., Williams, B., Glass, J. Correlation of the electrical properties of metal contacts on diamond films with the chemical nature of the metal-diamond interface. II. Titanium contacts: A carbide-forming metal. Physical Review B. 45 (20), 11975(1992).
  28. Zivcova, Z. V., et al. Electrochemistry and in situ Raman spectroelectrochemistry of low and high quality boron doped diamond layers in aqueous electrolyte solution. Electrochimica Acta. 87, 518-525 (2013).
  29. Granger, M. C., et al. Standard Electrochemical Behavior of High-Quality, Boron-Doped Polycrystalline Diamond Thin-Film Electrodes. Analytical Chemistry. 72 (16), 3793-3804 (2000).
  30. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods. Fundamentals and Applications. , 2nd ed, John Wiley and Sons. (2001).
  31. Simonov, A. N., et al. Inappropriate Use of the Quasi-Reversible Electrode Kinetic Model in Simulation-Experiment Comparisons of Voltammetric Processes That Approach the Reversible Limit. Analytical Chemistry. 86 (16), 8408-8417 (2014).
  32. Terashima, C., Rao, T. N., Sarada, B. V., Spataru, N., Fujishima, A. Electrodeposition of hydrous iridium oxide on conductive diamond electrodes for catalytic sensor applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 544, 65-74 (2003).
  33. Bitziou, E., O'Hare, D., Patel, B. A. Simultaneous Detection of pH Changes and Histamine Release from Oxyntic Glands in Isolated Stomach. Analytical Chemistry. 80 (22), 8733-8740 (2008).
  34. Pickup, P. G., Birss, V. I. The kinetics of charging and discharging of iridium oxide films in aqueous and non-aqueous media. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 240 (1-2), 185-199 (1988).
  35. Baur, J. E., Spaine, T. W. Electrochemical deposition of iridium (IV) oxide from alkaline solutions of iridium(III) oxide. Journal of Electroanalytical Chemistry. 443 (2), 208-216 (1998).
  36. Carmody, W. R. Easily prepared wide range buffer series. Journal of Chemical Education. 38 (11), 559(1961).
  37. Glab, S., Hulanicki, A., Edwall, G., Ingman, F. Metal-Metal Oxide and Metal Oxide Electrodes as pH Sensors. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 21 (1), 29-47 (1989).
  38. Burgot, J. -L. Ionic equilibria in analytical chemistry. , Springer Science & Business Media. (2012).
  39. Joseph, M. B., et al. Fabrication Route for the Production of Coplanar Diamond Insulated, Boron Doped Diamond Macro- and Microelectrodes of any Geometry. Analytical Chemistry. 86 (11), 5238-5244 (2014).
  40. Vanhove, E., et al. Stability of H-terminated BDD electrodes: an insight into the influence of the surface preparation. physica status solidi (a). 204 (9), 2931-2939 (2007).
  41. Salazar-Banda, G. R., et al. On the changing electrochemical behaviour of boron-doped diamond surfaces with time after cathodic pre-treatments. Electrochimica Acta. 51 (22), 4612-4619 (2006).
  42. Gelderman, K., Lee, L., Donne, S. W. Flat-Band Potential of a Semiconductor: Using the Mott-Schottky Equation. Journal of Chemical Education. 84 (4), 685(2007).
  43. Ushizawa, K., et al. Boron concentration dependence of Raman spectra on {100} and {111} facets of B-doped CVD diamond. Diamond and Related Materials. 7 (11-12), 1719-1722 (1998).
  44. Chrenko, R. Boron, the dominant acceptor in semiconducting diamond. Physical Review B. 7 (10), 4560(1973).
  45. Uzan-Saguy, C., et al. Hydrogen diffusion in B-ion-implanted and B-doped homo-epitaxial diamond: passivation of defects vs passivation of B acceptors. Diamond and Related Materials. 10 (3-7), 453-458 (2001).
  46. Hammerich, O., Speiser, B. Organic Electrochemistry. , Fifth Edition, Taylor & Francis. (2015).
  47. Juang, R. -S., Wang, S. -W. Electrolytic recovery of binary metals and EDTA from strong complexed solutions. Water Research. 34 (12), 3179-3185 (2000).
  48. Byrne, R. H., Kump, L. R., Cantrell, K. J. The influence of temperature and pH on trace metal speciation in seawater. Marine Chemistry. 25 (2), 163-181 (1988).
  49. Schonberger, E., Pickering, W. The influence of pH and complex formation on the ASV peaks of Pb, Cu and Cd. Talanta. 27 (1), 11-18 (1980).
  50. Chau, Y., Lum-Shue-Chan, K. Determination of labile and strongly bound metals in lake water. Water Research. 8 (6), 383-388 (1974).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تقييم البورون مخدر الماس الكهربائي الجودة وتطبيق ل
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.