利用原子力显微镜-扫描电化学显微镜联用技术（AFM-SECM）探究纳米材料表面电化学活性

本方案采用一种强大且创新的技术，即原子力显微镜与电化学扫描显微镜联用技术（AFM-SECM），用于扫描水中多面体纳米材料和纳米气泡的形貌及电化学信息。AFM-SECM能够基于探针电流图像绘制电化学活性表面图，并可同时获取样品材料的纳米级表面结构与电化学信息。该方法的样品制备要求固体颗粒完全固定在基底上，且样品与基底之间的结合需确保具备电导性。

氧化还原介体的选择也至关重要。更重要的是，必须通过实验证明其在本方案中作为独立、专门的操作步骤确实有效，例如在成像过程中进行的样品制备系统。使用移液枪头吸取10 µL环氧树脂，滴加到已清洁的硅片上，并用洁净的玻璃盖片将其铺平。

约五分钟后，将10微升氧化铜纳米颗粒悬浮液滴加到涂有环氧树脂的硅片基底上。然后在40摄氏度下真空干燥基底六小时。为制备氧气纳米气泡，需将压缩氧气直接通过管状陶瓷膜注入去离子水中。

在电化学样品池的金基底上加入1.8毫升纳米气泡悬浮液，并稳定10分钟。将现有的样品部件替换为SECM部件，然后使用两个M3、6毫米内六角圆柱头螺钉和一把2.5毫米六角扳手将其拧紧固定。

将应变释放模块安装到原子力显微镜（AFM）扫描器上，并使用延长电缆将其连接至弹簧连接块上的工作电极接口。双击两个软件图标以初始化AFM系统和恒电位仪控制界面。准备静电放电防护环境，表面防护组件包括防静电垫、静电放电防护探针架、可穿戴防静电手套和腕带。

为防止原子力显微镜（AFM）扫描器接触液体，在进行AFM-SECM测试时应使用保护套。将探针支架放置在防静电探针架上，并使用一对塑料镊子将保护套安装到探针夹持器上。然后将保护套上的小切口与探针支架上的凹槽对齐。

使用尖头镊子打开原子力显微镜-扫描电化学显微镜（AFM-SECM）探针盒，并从凹槽两侧夹取探针。用圆盘夹持器固定支架上的探针 holder，并将探针导线插入支架的孔中，然后将探针滑入探针 holder 的插槽内。

将探针插入槽口后，使用镊子的扁平端将其推入。将整个探针架连接到扫描仪上，然后用聚四氟乙烯尖端镊子夹住铜环正下方的导线，并将其连接到模块上。然后将扫描仪重新放回燕尾槽中。

将先前组装好的电化学样品池连同样品放置在SECM探头的中心位置，然后将伪参比电极和对电极连接到弹簧连接块上。在AFM-SECM软件中，选择SECM PeakForce QNM以加载工作区。

安装时，先装载SECM探针，然后使用对准装置将激光对准探针尖端。进入导航界面，缓慢向下移动扫描仪以聚焦于样品表面。轻微调整电化学样品池的位置，确保扫描仪移动时不会触碰到样品池的玻璃盖。

聚焦样品后，点击“更新盲合位置”。点击“移至加液位置”，向样品池中加入约 1.8 毫升缓冲液。确保液面低于玻璃盖，且电极丝浸入溶液中，用移液器搅动溶液以去除气泡，然后等待五分钟。

单击“移动至盲接合位置”，使探针重新移回缓冲溶液中。轻微调整激光，确保激光对准探针尖端。打开电化学工作站软件，单击工具栏上的“技术命令”以打开技术选择器。

选择开路电位-时间，并使用默认设置运行开路电位（OCP）测量，其值应接近零且稳定。再次点击“技术命令”，选择循环伏安法，输入循环伏安法参数，然后进行扫描电化学显微镜成像。返回原子力显微镜-扫描电化学显微镜（AFM-SECM）软件，点击“Engage”。

接下来选择计时安培法，并设置计时安培法参数：初始电位为 -0.4 伏，脉冲宽度为 1000 秒，灵敏度与 CV 扫描相同。运行程序后，返回 AFM-SECM 软件，查看条形图上的实时读数，然后点击开始。在 AFM-SECM 软件中保存图像。

使用电化学样品池作为纯净水容器，通过导航面板中的盲进功能将探针尖端反复插入和抽出液体，并更换三次水。然后使用洁净的擦拭纸仔细去除探针支架上残留的水分，并将探针放回探针盒中。该方案用于表征单个氧纳米气泡，揭示了其形态学和电化学信息。

形貌图与电流图像的对比揭示了纳米气泡位置与电流热点之间的相关性。此处展示了氧化铜纳米颗粒的形貌图和电流图像。针尖电流图像表明，在形貌图中可见的纳米颗粒与明显的电流信号热点相对应。

而背景电流对应于平坦的硅基底。以下是AFM-SECM探针在距离基底约一毫米处测得的五条典型循环伏安曲线。探针的扩散限制电流未随时间下降。

此处绘制了探针接近样品表面时探针电流的变化。AFM-SECM探针沿Z方向接近基底表面，直至达到设定值，该值指示探针与基底发生物理接触或发生弯曲。在执行本方案时，需确保固体颗粒作为基底被牢固固定，且具有完全的电导性，同时样品池溶液中无气泡存在。

样品制备方法适用于涉及纳米材料的更广泛的应用领域，尤其适用于纳米材料的表征。原子力显微镜-扫描电化学显微镜（AFM-SECM）技术可用于在纳米尺度上同时获取形貌和电化学图像，这对于材料科学、化学和生命科学等研究领域中纳米材料的开发与应用具有重要意义。