Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Beoordeling van borongedopeerd diamant elektrode Kwaliteit en Toepassing op

14.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53484

⸱

6 januari 2016

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

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol beschreven voor de karakterisering van de belangrijkste elektrochemische parameters van een borium gedoteerd diamant (BDD) elektrode en volgend verzoek om in situ pH generatie experimenten.

Samenvatting

Borium gedoteerd diamant (BDD) elektroden toonden aanzienlijke belofte als een elektrodemateriaal waar veel van de gerapporteerde eigenschappen zoals verruimde oplosmiddel venster, lage achtergrondstromen, corrosiebestendigheid, enz., Voortvloeien uit de katalytisch inerte karakter van het oppervlak. Indien gedurende het groeiproces, non-diamond-koolstof (NDC) wordt opgenomen in de elektrodematrix, de elektrochemische eigenschappen veranderen het oppervlak meer katalytisch actief. Als zodanig is het belangrijk dat de electrochemist hoogte is van de kwaliteit en de resulterende sleutel elektrochemische eigenschappen van de BDD elektrode voor gebruik. Dit document beschrijft een reeks karakterisering stappen, waaronder Raman microscopie, capaciteit, venster oplosmiddel en redox elektrochemie, om na te gaan of de BDD elektrode bevat verwaarloosbare NDC dus verwaarloosbaar sp2 koolstof. Een toepassing is gemarkeerd, die gebruik maakt van de katalytisch inerteen corrosiebestendig karakter van een NDC-oppervlak dwz stabiel en kwantificeerbare lokale proton en hydroxide productie als gevolg van elektrolyse van water in een BDD elektrode. Een benadering voor het meten van de lokale pH-verandering geïnduceerd door elektrolyse van water gebruik iridium oxide beklede BDD elektroden wordt ook beschreven.

Inleiding

Keuze van elektrodemateriaal van groot belang is bij het uitvoeren van elke elektroanalytische studie. In de afgelopen jaren, sp 3 koolstof (diamant) gedoteerd met borium voldoende om het materiaal maken "metaalachtige" is een populaire keuze voor uiteenlopende toepassingen elektroanalytische vanwege de uitstekende elektrochemische (en thermische en mechanische) eigenschappen 1,2- , 3. Deze omvatten corrosiebestendigheid onder extreme oplossing, temperatuur- en drukomstandigheden 4 ultrabreed oplosmiddel windows, lage achtergrondstromen en verminderde vervuiling in vergelijking met andere veelgebruikte elektrodematerialen 5-7,3. Het verhogen non-diamantachtige koolstof (NDC: sp 2) gehalte resulteert in een dalende venster oplosmiddel, verhoging achtergrondstromen 7,8, veranderingen in zowel de structurele integriteit en gevoeligheid voor verschillende binnenbol redox-stof, bijv. zuurstof 9-12.

Noot voor zome toepassingen, is NDC aanwezigheid gezien als voordelig 13. Indien daarenboven materiaal onvoldoende boor bevat zal gedragen als een p-type halfgeleider en tonen verminderde gevoeligheid voor redox-stof in de reductieve potentiële venster, waarbij het ​​materiaal het meest verarmd ladingsdragers 7. Tenslotte kan de oppervlaktechemie van borium gedoteerd diamant (BDD) een rol bij de waargenomen elektrochemische reactie spelen. Dit geldt vooral voor binnenbol soorten die gevoelig chemie oppervlak en verlagen gedoteerd diamant waarbij een waterstof (H -) - zijn beëindigd oppervlak kan maken halfgeleidende BDD electrode verschijnen "metaalachtige" 7.

Om te profiteren van de superieure eigenschappen van BDD nemen, is het vaak nodig het materiaal voldoende gedoteerd en bevat slechts NDC mogelijk. Afhankelijk van de gekozen om aan de BDD groeien methode kunnen de eigenschappen variëren 14,15. Deze paper eerste suggereert een materiaal en een uitverkorenrochemical karakterisering protocol gids voor de beoordeling van BDD elektrode geschiktheid voor gebruik (dwz voldoende boor, minimale NDC) en daarna beschrijft een applicatie op basis van lokaal veranderende pH elektrochemisch gebruik van het protocol geverifieerd elektrode. Dit proces maakt gebruik van het oppervlak veerkracht van NDC-vrije BDD aan corrosie of ontbinding onder toepassing van extreme toegepaste potentialen (of stromen) gedurende langere tijd. Met name het gebruik van een BDD elektrode stabiele proton (H +) of hydroxide genereren (OH -) fluxen als gevolg van elektrolyse (respectievelijk oxidatie of reductie) water in de nabijheid van een tweede (sensor) 16,17 hierin beschreven.

Op deze wijze is het mogelijk om de pH milieu van de sensor besturen op een systematische wijze, bijvoorbeeld voor pH titratie experimenten, of om de pH vast te stellen op een waarde waarbij het ​​elektrochemische proces gevoeligst. Dit laatste is vooral nuttig voortoepassingen waarbij de sensor wordt geplaatst aan de bron, bijv rivier, meer, zee en de pH van het systeem is niet optimaal voor de elektrochemische meting plaats. Twee recente voorbeelden omvatten: (i) genereren van een gelokaliseerde lage pH in een pH-neutrale oplossing voor de elektrodepositie en strippen van kwik 17; Let BDD is een geliefd materiaal voor de elektrodepositie van metalen als gevolg van de uitgebreide kathodische venster 9,18,19. (ii) Kwantificering van het elektrochemisch detecteerbare vorm van waterstofsulfide aanwezig bij hoge pH, door het plaatselijk verhogen van de pH van neutraal tot sterk basische 16.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

OPMERKING: BDD elektroden worden meestal gekweekt onder toepassing van chemische dampafzettingstechnieken, bevestigd aan een groeisubstraat. Ze laten de groei kamer H-beëindigd (hydrofoob). Als gegroeid dik genoeg de BDD kan van het substraat worden verwijderd en wordt genoemd vrijstaande. De vrijstaande BDD groeioppervlak vaak gepolijst om oppervlakteruwheid aanzienlijk. Reinigen BDD in zuur resulteert in een zuurstof (O) -terminated oppervlak.

1. Acid Cleaning BDD

  1. Plaats een bekerglas van geconcentreerd zwavelzuur (H 2 SO 4; ~ 2 ml of diep genoeg om de diamant te dekken) op een hete plaat bij kamertemperatuur en plaats de BDD.
  2. Voeg kaliumnitraat (KNO 3) totdat deze niet meer oplost (~ 0,5 g in 2 ml), vervolgens bedekken met een horlogeglas en verhit tot ~ 300 ° C, wordt de oplossing bruin worden als deze warmer en kaliumnitraat oplost.
    OPGELET Wees voorzichtig bij het ​​hanteren van hete zuur!; rubberen handschoenen, veiligheid glasses en laboratoriumjas moeten gedragen worden en dit proces moet worden uitgevoerd in een zuurkast.
  3. Laat verwarmen ten minste 30 minuten of totdat er niet langer een bruine kleur aan de oplossing, zet de verwarmingsplaat en laat de oplossing afkoelen tot kamertemperatuur.
  4. Zorgvuldig afvoeren van het zuur door verdunning in RT water en spoel de BDD met gedestilleerd water.
  5. Meet de oppervlakte contact hoek, zie paragraaf 1.2. Hydrofobe (H-beëindigd) 20,21 elektroden contact hoeken gemeld in het bereik van 60-90 ° 3, die aanzienlijk vermindert als het oppervlak hydrofiel wordt gemaakt door middel van O-beëindiging.
  6. (optioneel alternatieve methode) Voor zeer dunne elektroden (bevestigd aan het groeisubstraat en film delaminatie voorkomen dat het gebruik van de bovengenoemde behandeling), eenmaal wassen met 2-propanol en tweemaal met gedeïoniseerd water in een ultrasoon bad. Vervolgens nemen een van de volgende drie reinigingsprocedures (1) anodisch polariseren de diamant voor 30 minuten bij 10 mA cm -2 In 1 M perchloorzuur bij 40 ° C 22; of (2) anodisch polariseren de diamant voor 20 minuten bij 10 mA cm-2 in 1 M salpeterzuur, dan vervolgens kathodisch gepolariseerd bij 10 mA cm -2 nog eens 20 min in dezelfde oplossing of 23; (3) cyclus van de diamant tussen de 2 V in 0,1 MH 2 SO 4 tot een stabiele elektrochemische signaal wordt bereikt 7. Volg deze stap 1.4.

2. Contact Hoekmeting

  1. Leg de ruit op het monster stadium van een contact hoek analyzer, zodat het is plat. Plaats een spuit 1 ml in de klepstandsteller boven het monster podium, zorgen voor een naald op het einde. Vul de spuit met gedemineraliseerd water.
  2. Gebruik de z-controller om de injectiespuit te verlagen tot het monster met de x - en y - controllers en de camera / belichtingstoestel de injectiespuit boven het midden van de diamant te lijnen.
  3. Met behulp van de analyser software afzien repeat 1 pl volumes van het water uit de spuit totdat een druppel vormen op het punt van de naald, zichtbaar op camerabeeld (nooit meer dan 10 pl) het. Verlaag de naald de druppel op het oppervlak te deponeren en pas de verlichting voor maximale contrast.
  4. Verzamel een afbeelding en toepassing neerzetten analyse vorm van software, met behulp van de kegelsnede methode. Klik op "vind basislijn" in de software, en klik op "berekening", gevolgd door "tangent".
    OPMERKING: deze procedure detecteert de baseline en past een conische vergelijking om de (elliptische) druppelvorm; een contacthoek θ wordt gemaakt tussen de basislijn en de raaklijn aan de driefasige contactpunt.

3. BDD materiaalkarakterisering

  1. Raman Analyse voor SP 2 / sp 3 inhoud
    1. Voer Raman (zie referentie 14 een lijst Practical Raman spectroscopie) in verschillende gebieden van de BDD elektrode 24 gebruik van 514,5 nm of532 nm laser, die sp 2 inhoud benadrukt, wordt bepleit.
    2. Zet de micro-Raman spectrometer en laat ~ 30 min de CCD detector afkoelen. Controleer de juiste lens, diffraktieraster en filters zijn voor gebruik met de laser keuze.
    3. Kalibreer het systeem met behulp van een silicium (Si) ijkmonster. Plaats het Si-substraat in de kamer en optisch instrument gericht op het monster met de microscoop. Sloot de deur naar de kamer. Schakelen naar de laser zicht en controleer de laser spot is goed gedefinieerd en circulaire. Kalibreren met de software, klikt u op "gereedschappen", gevolgd door "calibratie" en vervolgens "quick kalibratie" en vervolgens "ok".
    4. Verwijder het Si-substraat uit de kamer en vervangen door de BDD elektrode. Optisch focus van de microscoop op het gebied van belang zijn, over te schakelen naar de laser uitzicht en open de sluiter om te controleren of de laser is gericht. Sluit de sluiter.
    5. Neem een ​​Raman meting met behulp van de software; click "meten" en vervolgens "nieuwe" en vervolgens "spectrale overname." stellen de meting golfgetal bereik om de eigenschappen van belang te dekken, voor BDD is 200 - 1800 cm -1; Stel de scan overname tijd (<10 sec); Stel de laservermogen tot 100% (voor BDD) en; stel het aantal voorkomens (herhalen scans) tot vijf (voor BDD). Als het resulterende spectrum is zeer luidruchtig voorkomens meer nodig zijn. Druk run en sla de resulterende spectrum voor analyse. Maak een foto van het gebied Raman werd uitgevoerd met behulp van de live video. Sla de afbeelding als referentie.
    6. Observeer de piek ~ 1332 cm -1 in het spectrum sp 3 diamant (figuur 1) geeft; de bredere de piek van de meer gebreken aanwezig 3,25.
    7. Let op eventuele NDC - aangeduid door een brede G piek gecentreerd bij 1575 cm -1 26, in de spectra (figuur 1A en 1B), afkomstig van het uitrekken van gepaarde sp 2 locaties; hoe groter de piekintensiteit des NDC aanwezig.
      OPMERKING: de π obligaties gevormd door sp 2 C zijn meer dan polariseerbaar sp 3 σ obligaties en worden resonant versterkt door zichtbare lasers, wat leidt tot een bredere, meer dominant, G pieken 25. Merk op dat de exacte methode om analyses kunnen variëren tussen de verschillende instrumenten en software.

4. elektrochemische karakterisering

  1. Het voorbereiden van ohmse contacten
    1. Vrijstaande BDD
      1. Met behulp van standaard technieken sputteren (of verdampen) de achterzijde van de BDD met titanium (Ti) / goud (Au) 10 nm / 300 nm met behulp van een sproei / verdamper bij drukken onder 1 x 10 -5 mBar. Als drie doelbron beschikbaar, meer ideaal is Ti 10 nm / platina (Pt) 10 nm / 300 nm Au diffusie van Ti in de Au voorkomen.
      2. Ontlaten gedurende 5 uur bij 400 ° C (atmosferische druk) waardoor de Ti titanium carbide, crucial voor de vorming van een ohmse contact 27.
        OPMERKING: als de achterkant van de BDD is gepolijst (~ nm ruwheid), dan is het bij voorkeur aan het oppervlak alvorens te ruwen om afzetting sputteren naar een meer robuuste coating garanderen. Dit kan worden bereikt door, bijvoorbeeld, low power laser micromachining het oppervlak (verwijderen van <30 urn materiaal).
    2. Dunne film diamant gegroeid op een geleidende substraat
      1. Sputteren / verdampen zoals hierboven, maar het bovenvlak, met een schaduwmasker plaats voorzichtig op de bovenkant naar boven met de gehele elektrode te voorkomen.
        OF
      2. Krassen op de achterkant van het geleidende substraat met behulp van een diamant getipt pen. Dan de vacht van de bekraste met het uitvoeren van Ag pasta of een soortgelijke geleidende verf door het schilderen op een dunne laag met een klein penseel. Tenslotte elektrisch te verbinden door het aanbrengen koperdraden met geleidende epoxy.
        Let op: er zijn verschillende manieren om de BDD te bereiden na uitverkorenentrische contact als beschreven in referentie 4, bijvoorbeeld wanneer de BDD kan worden bewerkt in kleinere structuren afdichting glas of epoxy, of nog aan de wafel klem / attach een elektrochemische cel op het bovenoppervlak.
  2. Capacitieve Metingen
    1. Bereid een 20 ml van 0,1 M KNO 3 oplossing door het gewicht van 0,20 g in dubbel gedestilleerd water (dit waterkwaliteit is heel aangeraden, weerstand 18,2 M cm). Reinig de elektrode voorafgaand aan het gebruik, hetzij door aluminiumoxide polijsten of elektrochemisch fietsen in verdund zuur (zie hoofdstuk 1 NB) 16,23,28.
    2. Met behulp van een potentiostaat lopen cyclische voltammogrammen (cv's) bij 0,1 V sec -1 tussen -0,1 V en 0,1 V, beginnend bij 0 V, met de BDD als de werkende elektrode ten opzichte van een gemeenschappelijke referentie-elektrode, bijvoorbeeld zilver / zilverchloride (Ag / AgCl ) of een verzadigde calomel electrode (SCE) en een Pt tegenelektrode. Analyseer de tweede CV.
      LET OP: figuur 2A Toont een typische capaciteit curve opgenomen met een vrijstaande metalen gedoteerd BDD elektrode.
    3. Meet de totale huidige omvang op 0 V uit de opgenomen capaciteit curve en delen door 2, is deze waarde "i". Bepaal de capaciteit, C, met behulp van de waarde voor de i, met vergelijking 1, normaliseren met betrekking tot de oppervlakte elektrode (goed voor oppervlakteruwheid indien van toepassing) en het citaat in uF cm -2. Hoge kwaliteit, "metal-achtige" BDD heeft een capaciteit << 10 uF cm -2. Gebruik gegevens plotten software te presenteren en de gegevens te analyseren.
      i = C (Vt -1) (1 eq.);
      waarbij i (A) en (Vt -1) is de scansnelheid potentieel.
  3. Oplosmiddel Window
    1. Reinig de elektrode zoals in stap 4.2.1. Met behulp van een potentiostaat uitvoeren van een CV in 0,1 M KNO 3 bij 0,1 V sec -1 van 0 V tot -2 V vervolgens tussen -2 V en 2 V eennd terug naar 0 V met de BDD als de werkende elektrode ten opzichte van een gemeenschappelijke referentie-elektrode en Pt tegenelektrode. Herhaling. Analyseer de tweede CV, een voorbeeld CV wordt getoond in figuur 2B.
    2. Omzetten huidige huidige dichtheid (mA cm -2), het nemen van oppervlakteruwheid in aanmerking, en citeer het oplosmiddel venster als potentiële venster bepaald door de huidige grenzen van ± 0,4 mA cm -2 in beide richtingen. 7,29 Gebruik een data plotten software te presenteren en de gegevens te analyseren.
    3. Let op de aanwijzingen van de NDC (sp2 koolstof) in het venster oplosmiddel; de zuurstof reductiereactie begunstigd op NDC dat duidelijk zichtbaar in de reductieve venster. Oxidatie van SP 2 bevattende groepen resulteert ook in kenmerkende pieken net voor waterelektrolyse op de anodische (Figuur 2B).
      OPMERKING: hoge kwaliteit "metallic" BDD elektroden oplosmiddel ramen >> 3 V, geen ondersteuning voor de zuurstof vermindering reactie (ORR) in 0,1 M KNO 3 (of ORR is sterk kinetisch vertraagd) en laten verwaarlozen NDC oxidatie handtekeningen.
  4. Redox Elektrochemie
    1. Reinig de elektrode zoals in stap 4.2.1.
    2. Met behulp van een potentiostaat opnemen CV's in 1 mM ruthenium hexaamine (Ru (NH3) 6 3+) en 0,1 M KNO 3 tussen 0,2 V en -0,8 V versus SCE, voor scan tarieven in de range van 0,05 V sec -1 - 0,2 V sec -1.
      NB: Dit koppel toont snelle elektronenoverdracht en elektro in een regio die p-type halfgeleidende BDD uitdaagt. sp 2 met BDD ook ORR tonen in deze regio, het signaal voor de laatste is duidelijk als de concentratie van Ru (NH3) 6 3+ verlaagd.
    3. Meet de spanning scheiding tussen de anodische en kathodische piekstroom (Δ p E) uit de opgenomen CV, en de temperatuur 20 beschreven.Voor "metal-achtige" ohmse wijze contact met zuurstof beëindigd BDD bij 298 K, Δ E p <70 mV 30,31. Grotere Δ Ep waarden zijn symptomatisch voor een slechte ohms contact of een lager gehalte aan boor, zoals getoond in figuur 2C voor BDD elektroden van doteermiddel dichtheden in het bereik van 9,2 x 10 16 om 3 x 10 20 B atomen cm -3.
    4. Meet de maximale stroomsterkte van de voorwaartse scan, i p, en correleren met de verwachting van de randles Sevcik vergelijking 2 (genoteerd op 298 K) 3,30, uitgaande van de elektrode schijfvormig geometrie en groot genoeg (diameter 1 mm), die lineaire diffusie domineert. Gebruik gegevens plotten software te presenteren en de gegevens te analyseren.
      i p = 2,69 x 10 5 n 3/2 AD 1/2 cv 02/01 (eq 2)
      waarbij nis het aantal elektronen overgedragen A gebied (cm2) is, D de diffusiecoëfficiënt (cm2 sec -1), c concentratie (mol cm -3) en v scansnelheid (V sec -1).

5. pH Generatie: Bereiding van pH gevoelige elektrode en pH Generation

  1. Iridium Oxide (pH-gevoelige) Solution Voorbereiding
    1. Bereid een 20 ml 0,1 M KNO 3 oplossing in paragraaf 5.4.1. Voeg 5 druppels fenolftaleïne-indicator-oplossing met behulp van een Pasteur pipet en roer (dit is voldoende om een ​​reactie op het oog te zien, maar voor een meer intense kleur, voeg meer druppels). Plaats de BDD werkelektrode en Pt tegenelektrode in oplossing.
    2. Stel de pH van de oplossing tot 10,5 door toevoeging van watervrij kalium- chloride zout, voortdurend roeren. Laat vallen en roeren gedurende 48 uur bij kamertemperatuur te stabiliseren, in dit stadium de oplossing geleidelijk gaan van geelgroen totblauw-paars. Bewaren in een koelkast bij 3 ° C.
  2. pH-gevoelige Iridium Oxide Film Deposition
    1. Met behulp van een potentiostaat uitvoeren van een CV in het iridiumoxide oplossing tussen 0 V en 1 V versus SCE om het potentieel waarbij de maximale stroom wordt opgenomen bepalen. Dit is de depositie potentieel E dep zoals getoond in figuur 3A, typisch gelegen tussen ~ + 0,6 V - 0,85 V; het kan variëren afhankelijk van een aantal factoren zoals temperatuur, enz elektrodemateriaal 32, 33
    2. Gebruik chronoamperometry met een potentiostaat, stap de potentiaal van 0 V ("initiële E" en "Low E" in de software), waarbij geen elektrolyse ontstaat aan E dep ("High E" in de software), gedurende een tijdsperiode van 0,2 sec per stap, herhaal 100x.
    3. Voer een CV tussen 0 V en 1 V in 0,1 MH 2 SO 4 voor IRO x gedeponeerd elektrode. Het karakteristic CV vorm wordt getoond in figuur 3B. Een stroomdichtheid in het gebied van ~ 0,6 mA cm -2 - 0,7 mA cm -2 voor de eerste anodische piek (overeenkomend met een gemiddelde laagdikte van ~ 8 nm van 0,7 mA cm-2) geeft een stabiele pH-gevoelige film 34, 35.
    4. Indien de stroomdichtheid kleiner is dan 0,6 mA cm -2 Herhaal stap 5.2.2 - 5.2.4 tot deze waarde is bereikt. Laat de elektrode in pH 7 bufferoplossing gedurende 24 uur hydrateren de responsietijd van de IrO x film hydratatie-afhankelijke 33.
  3. IrO x Film pH karakterisering
    1. Bereid een reeks buffer oplossingen die de pH-bereik van de rente dekken (pH 2 - pH 12), kan deze worden gemaakt in huis (bijv Carmody 36) of commercieel gekocht.
    2. Spoel de elektrode met gedestilleerd water. Plaats de IrO x elektrode en referentie-elektrode in de bufferoplossing van pH waarde. Met behulp van een potentiostaatnoteer de open circuit potentieel (OCP) meer dan 30 sec, met drie herhalingen. Verwijder de elektrode uit de oplossing, spoelen en plaats in de volgende buffer.
    3. Herhaal stap 5.3.2 voor elke buffer, daarna ten minste tweemaal herhalen van de serie. Perceel pH vs. OCP, de kalibratie plot voor de film respons. Een IrO x film vertoont een helling met een gradiënt tussen 59-80 mV per decennium 37.
      OPMERKING: Figuur 3C toont een voorbeeld kalibratie plot voor een succesvolle IrO x pH-sensor op BDD.
  4. Met een pH-generator en meetsysteem
    Opmerking: Dit veronderstelt toepassing van een twee elektrode systeem waarin één elektrode is bekleed met IRO x film (bijv disc) en de tweede (bv BDD ring) wordt H + of OH genereren - galvanostatically van waterelektrolyse.
    1. Bereid een 20 ml 0,1 M KNO 3 door toevoeging van gedeïoniseerd water om het zout. Sluit IRO x gecoateelektrode als werkelektrode in een twee elektrode systeem met de tweede elektrode een stabiele referentie-elektrode bijvoorbeeld SCE. Meet de OCP behulp van een potentiostaat, de start pH vast.
    2. Sluit de generator elektrode naar een geschikte twee elektroden galvanostatic systeem met een tegenelektrode, bijvoorbeeld Pt folie, en herhaal stap 5.4.1, maar na een bepaalde periode van toepassing van een stroom naar de generator elektrode.
      OPMERKING: vinden we stromen in het bereik 0 tot ± 50 uA geschikt ons BDD elektroden; grotere stromen leiden tot merkbare gasontwikkeling. De grootte en richting van de stroom is afhankelijk van het gewenste resultaat; een positieve stroom zal resulteren in een verschuiving naar zure pH en een negatieve stroom meer basische pH, hoe groter de stroom hoe groter de pH-verandering.
    3. De potentiostaat, nemen de verandering van OCP in reactie op de galvanostatische huidige, wacht totdat de respons stabiliseert. Plaats dan IRO x elektrode in pH 7 buffer gedurende 10 minuten opnieuw in evenwicht IRO x film.
    4. Herhaal de stappen 5.4.2 tot 5.4.3 met verschillende toegepaste stromen, totdat alle benodigde gegevens zijn verzameld. Plot van de gegevens met behulp van de ijkcurve verkregen in paragraaf 5.3 om te zetten OCP om de pH, is een voorbeeld dataset weergegeven in figuur 4A. Verwijder IRO x film met behulp van aluminiumoxide polijsten of pulserend in 0,1 MH 2 SO 4 uit 2 V V -2 voor 0,2 sec, × 100. Van toepassing op het meetsysteem van belang.
  5. Visuele beoordeling van de lokale pH generatie
    1. Bereid een 20 ml 0,1 M KNO 3 oplossing in paragraaf 5.4.1. Voeg 5 druppels fenolftaleïne-indicator-oplossing met behulp van een Pasteur pipet en roer (dit is voldoende om een ​​reactie op het oog te zien, maar voor een meer intense kleur, voeg meer druppels). Plaats de BDD werkelektrode en Pt tegenelektrode in oplossing.
    2. Breng een negatieve stroom naar de werkende elektrode met behulpeen galvanostaat zoals in stap 5.4.2 (bv ~ -0,6 mA cm-2) zodanig dat de oplossing verandert van kleurloos naar roze. Dit nu plaatselijk genereert een oplossing die een pH ≥ 10,5.
    3. Herhaal stap 5.5.1 met 5 druppels methylrood-oplossing in plaats van fenolftaleïne en roer. Breng een voldoende positieve stroom (bijvoorbeeld ~ 6,6 mA cm-2) zodanig dat de oplossing kleur verandert van geel naar rood. Dit nu plaatselijk genereert een oplossing die een pH ≤ 4,2 38.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Raman-spectra en elektrochemische eigenschappen werden verkregen voor representatieve BDD macrodisc elektrodes met verschillende doteringsmiddel dichtheden en beide belangrijke en aanzienlijke gehaltes NDC, figuren 1 en 2. Figuren 1A en B tonen typische Raman gegevens NDC bevattende dunne film microkristallijn BDD en grotere korrel vrijstaande BDD, gedoteerd boven de metalen drempel respectievelijk. De aanwezigheid van N...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Beginnend met een O beëindigd oppervlak bepleit omdat de H-beëindigde oppervlak elektrochemisch stabiel, vooral bij hoge anodische potentials 7,40,41. Wisseloppervlak aansluiting kan invloed hebben op de kinetiek van elektronentransport binnenbol paren, zoals water elektrolyse (hier gebruikt om de lokale oplossing pH verandering). Indien daarenboven BDD bevat significante NDC bij korrelgrenzen is ook mogelijk dat bij toepassing van de extreme anodische / kathodische potentialen bepleit in dit artikel voor pH ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

We willen graag Dr Jonathan Newland bedanken voor de foto in figuur 4B en voor het verwerken van optische microscoop beelden voor de video, Miss Jennifer Webb voor advies en visuals bij contact hoekmetingen, Miss Sze-yin Tan voor het raam oplosmiddel gegevens in Figuur 2B Dr. Maxim Joseph voor advies over Raman spectroscopie, en tevens lid van de Warwick Elektrochemie en Interfaces Group, die hebben bijgedragen tot de hierin beschreven protocollen te ontwikkelen. We willen ook graag Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres en Roy Meyler bedanken voor hun aandeel in het filmen van het protocol.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Pt WireCounter Electrode
Saturated Calomel ElectrodeIJ Cambria Scientific Ltd.2056Reference Electrode (alternatief gebruik Ag|AgCl)
BDD ElectrodeWorking Electrode
Iridium TetrachlorideVWR International Ltd12184.01
Hydrogen PeroxideSigma-AldrichH1009(30% w/w) Corrosiefd
Oxalic Acid Sigma-Aldrich241172Schadelijk, Irritatorisch
Anhydrous Potassium ChlorideSigma-Aldrich451029
Sulphuric AcidVWR International Ltd102765G(98%) Corrosiefd
Potassium NitrateSigma-Aldrich221295
Hexaamine Ruthenium ChlorideStrem Chemicals Inc.44-0620Irritatorisch
Perchloric AcidSigma-Aldrich311421Oxidatie, Corrosiefd
2-PropanolSigma-Aldrich24137Ontvlambaar
Nitric AcidSigma-Aldrich695033Oxidatie, Corrosiefd
Sputter/ EvapouratorMet Ti & Au doelen
Raman514.5 nm laser
Annealing OvenCapable of 400 °C
Ag pasteSigma-Aldrich735825of andere geleidende verf
Potentiostat
pH Buffer solutionsSigma-Aldrich38740-38752Fixanal bufferconcentraten
Phenolphthalein IndicatorVWR International Ltd210893Q
Methyl Red IndicatorSigma-Aldrich32654

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Beoordeling van de elektrodekwaliteitanalyse van het oplosmiddelvenstercapaciteitsmetingRaman microscopielokale pH modificatieiridiumoxidecoatingcyclische voltammetriecontacthoekanalyse
Beoordeling van borongedopeerd diamant elektrode Kwaliteit en Toepassing op
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.