Name: Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM) (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-10T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: Poznaj metodę AFM-SECM do jednoczesnego mapowania topografii i właściwości elektrochemicznych nanomateriałów. Technika ta umożliwia badanie reaktywności powierzchniowej i defektów na poziomie nanoskali.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca jest finansowana przez narodową fundację naukową (numer nagrody: 1756444) za pośrednictwem Biological & Environmental Interfaces of Nano Materials, USDA National Institute of Food and Agriculture, projektu AFRI [2018-07549] oraz umowy o pomoc nr 83945101-0 przyznanej przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska New Jersey Institute of Technology. Nie został on formalnie poddany przeglądowi przez EPA. Poglądy wyrażone w niniejszym dokumencie są wyłącznie poglądami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Agencji. EPA nie popiera żadnych produktów ani usług komercyjnych wymienionych w tej publikacji. Autorzy dziękują również Undergraduate Research and Innovation Program (URI) Phase-1 i Phase-2 w New Jersey Institute of Technology.

1. Przygotowanie próbki
<ol>
	<li>Otrzymywanie fasetowanych nanocząstek Cu2O i osadzanie na podłożu krzemowym
	<ol>
		<li>Rozpuścić 0,175 g CuCl2∙2H2O (99,9%) w 100 ml wody dejonizowanej (DI), aby uzyskać roztwór wodny 10 mM CuCl2.</li>
		<li>Dodać kroplami 10,0 ml 2,0 M NaOH i 10 ml 0,6 M kwasu askorbinowego do roztworu CuCl2.</li>
		<li>Podgrzewać roztwór w kolbie okrągłodennej o pojemności 250 ml pod ciągłym mieszaniem w łaźni wodnej o temperaturze 55 °C przez 3 godziny.</li>
		<li>Zebrać powstały osad przez odwirowanie (5 000 x g przez 15 minut), a następnie przemyć 3 razy wodą DI i dwukrotnie etanolem w celu usunięcia resztkowych jonów nieorganicznych i polimerów.</li>
		<li>Wytrącić suchy osad w próżni w temperaturze 60 °C przez 5 h53.</li>
		<li>Użyj przygotowanej płytki krzemowej jako podłoża do osadzania nanocząstekCu2O, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 1A przy użyciu żywicy epoksydowej, aby zapewnić testowanie. 
		Uwaga: Wafel krzemowy (Ø3" Wafel silikonowy, typ P/<111>) został pocięty na jeden kawałek o wymiarach 38 mm x 38 mm, a następnie umyty przy użyciu etanolu, metanolu i wody demineralizowanej w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych.</li>
		<li>Bezpośrednio nanieść 10 μl żywicy epoksydowej na oczyszczoną płytkę silikonową za pomocą końcówki pipety i płytki z czystym szkiełkiem podstawowym. Po około 5 minutach upuść oddzielnie 10 μl nanocząstek/zawiesiny wodnej (10 mg L-1) na różne podłoża z płytek krzemowych pokrytych żywicą epoksydową. Cztery różne czerwone plamki pokazane w Rysunek 1B wskazują potencjalne położenie osadzonych nanocząstek.</li>
		<li>Podłoże suszyć próżniowo w temperaturze 40 °C przez 6 godzin.</li>
		<li>Umieść substrat próbki w celi próbki EC (<klasa silna = "xfig" >Rysunek 4), którą należy wypełnić 1,8 ml 0,1 M KCl zawierającego 10 mM Ru(NH3)6Cl3 (98%).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie NB
	<ol>
		<li>Wytwarzanie nanopęcherzyków tlenu poprzez bezpośrednie wstrzyknięcie sprężonego tlenu (czystość 99,999%) przez rurkową membranę ceramiczną (wielkość porów 100 nm, WFA0,1) do wody DI. 
		UWAGA: Gaz był wstrzykiwany w sposób ciągły pod ciśnieniem 414 kPa i przepływem 0,45 L·m-1, aż do osiągnięcia stabilnego rozkładu wielkości pęcherzyków, jak podano w innym miejscu54.</li>
		<li>Dodać 1,8 ml zawiesiny wodnej NB na złotym podłożu do celi próbki EC i ustabilizować przez 10 min. 
		UWAGA: Jako podłoże do immobilizacji NB użyto świeżych złotych płytek o wymiarach 40 mm x 40 mm (Au na Si).</li>
		<li>Zdekantować 0,9 ml zawiesiny NB i zastąpić 0,9 ml 10 mM roztworu Ru(NH3)6Cl3 w 0,1 M KCl.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Konfiguracja AFM-SECM
UWAGA: AFM został użyty w prezentowanych pomiarach AFM-SECM. Do wykonywania analiz EC AFM został wyposażony w bipotencjostat i akcesoria SECM. Jak pokazano w Rysunek S1, bipotencjostat był podłączony do kontrolera AFM, a zarówno potencjostat, jak i AFM były podłączone do tego samego komputera. Akcesoria obejmują uchwyt wiertarski SECM, uchwyt sondy SECM z osłoną ochronną oraz moduł zwalniający odkształcenia z selektorem rezystancji (zastosowano rezystancję 10 MΩ) w celu ograniczenia maksymalnego przepływu prądu55. Jak pokazano na rysunku Rysunek 2, sondy AFM-SECM mają promień końcówki 25 nm i wysokość końcówki 215 nm. Próbka działała jak elektroda robocza, która ma to samo pseudoodniesienie przy użyciu drutu elektrodowego Ag (średnica 25 mm) i przeciwelektrody drutu Pt (średnica 25 mm). Sonda i próbka mogą być spolaryzowane przy różnych potencjałach (w porównaniu z pseudoelektrodą referencyjną z drutu Ag), aby umożliwić różne reakcje redoks. W prezentowanej pracy końcówka redukuje [Ru(NH3)6]3+ do [Ru(NH3)6]2+ przy -400 mV w porównaniu z pseudoelektrodą referencyjną z drutu Ag.
<ol>
	<li>Wymień istniejący uchwyt do pobierania próbek na uchwyt SECM i przykręć uchwyt za pomocą dwóch z walcowym M3 x 6 mm i klucza imbusowego 2.5 mm (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A).</li>
	<li>Podłącz kontroli temperatury do uchwytu SECM i podłącz niskoszumowe SECM do bloku złącza sprężynowego (kolor do koloru) i bloku przełącznika (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 3B). 
	UWAGA: Przełącznik musi być trzymany po prawej stronie podczas testowania SECM.</li>
	<li>Zamontuj moduł zwalniający naprężenia na skanerze AFM, a także podłącz go do działającego złącza elektrody na bloku złącza sprężynowego z przedłużaczem (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 3C).</li>
	<li>Zmontować celę na próbki EC.
	<ol>
		<li>Umieść wkładkę na górnym pierścieniu (<silna klasa="xfig">Rysunek 4A).</li>
		<li>Zamontuj dwa pierścienie uszczelniające o przekroju okrągłym odpowiednio na dolnym rowku i górnym rowku wkładki (<silna klasa="xfig">Rysunek 4B i <silna klasa="xfig">Rysunek 4C).</li>
		<li>Umieść szklaną osłonę na górnej górze pierścienia, a następnie dokręć czterema lekko i ukośnie (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 4D).</li>
		<li>Użyj twardego, ostrego drutu o średnicy 24 mm (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 4E), aby przebić dwa otwory w O-ringu przez dwa kanały plastikowej części na górnym pierścieniu (<silna klasa = "xfig">Rysunek 4F).</li>
		<li>Włóż drut Ag i drut Pt przez otwór w O-ringu i zakrzywij drut Pt do okręgu w celi próbki EC, jak pokazano na <silna klasa = "xfig" >Rysunek 4G.</li>
		<li>Aby uszczelnić górną część celi próbki EC, dociśnij zmontowaną celę próbki EC do dna celi próbki EC, aby O-ring całkowicie stykał się ze szklaną pokrywą (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 4H).</li>
		<li>Umieść górną część celi próbki EC do góry nogami i skieruj próbkę testową (lub podłoże) w dół, tak aby kołki sprężynowe (kołki pogo) dotykały powierzchni próbki, jak pokazano na <silna klasa = "xfig" > Rysunek 4I i <silna klasa = "xfig" > Rysunek 4J. Próbka testowa powinna zakrywać O-ring, aby dolna część komory próbki EC była uszczelniona.</li>
		<li>Umieść dolną część celi próbki EC i dokręć po przekątnej śrubą o odpowiedniej długości (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 4K).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Działanie AFM-SECM
<ol>
	<li>Inicjalizacja instrumentów AFM i bipotencjostatu
	<ol>
		<li>Kliknij dwukrotnie dwie ikony oprogramowania, aby zainicjować system AFM i interfejs sterowania bipotencjostatem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ładowanie sondy SECM
	<ol>
		<li>Przygotuj pakiet usług terenowych ESD, w tym podkładkę antystatyczną, statyw ochronny przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), rękawice antystatyczne do noszenia i pasek na nadgarstek (<silna klasa = "xfig">Rysunek 5A). <silna klasa="xfig">Rysunek 5B pokazuje połączenie monitora ESD z paskiem na nadgarstek. 
		UWAGA: Monitor ESD emituje sygnał dźwiękowy, gdy czerwona podkładka jest podłączona do masy. Sygnał dźwiękowy ustanie, gdy użytkownik założy pasek na nadgarstek.</li>
		<li>Aby zapobiec narażeniu skanera AFM na działanie cieczy, podczas testowania AFM-SECM należy używać obuwia ochronnego (<silna klasa="xfig">Rysunek 6A). Umieść uchwyt sondy na statywie sondy zabezpieczającej przed wyładowaniami elektrostatycznymi (<silna klasa="xfig">Rysunek 6B). Użyj plastikowej pęsety, aby przymocować osłonę ochronną do uchwytu końcówki (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 6C). Następnie dopasuj małe nacięcie w osłonie ochronnej do wycięcia w uchwycie sondy, jak pokazano na rysunku <silna klasa="xfig">Rysunek 6D.</li>
		<li>Otwórz pudełko z sondami AFM-SECM (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 7A) za pomocą pęsety z końcówką (kolor zielony), aby chwycić sondę z obu stron rowków (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 7B). Używając chwytaka dysku (kolor srebrny) do przytrzymywania uchwytu sondy na stojaku, umieść przewód sondy w otworze stojaka, a następnie wsuń sondę w szczelinę uchwytu sondy (<silna klasa="xfig">Rysunek 7C). Gdy sonda znajdzie się w gnieździe, użyj płaskiego końca pęsety, aby ją wepchnąć. Upewnij się, że sonda jest całkowicie w uchwycie końcówki (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 7D).</li>
		<li>Jak pokazano w Rysunek 8A, przymocuj cały uchwyt sondy (łącznie z uchwytem-osłoną) do skanera.</li>
		<li>Użyj pęsety z teflonową końcówką, aby chwycić przewód tuż pod miedzianym pierścieniem i podłączyć go do modułu (<silna klasa="xfig">Rysunek 8B).</li>
		<li>Umieść skaner z powrotem w jaskółczym ogonie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ładowanie celi próbki
	<ol>
		<li>Po zmontowaniu badanej próbki (lub substratu) w celi na próbki EC, o której mowa w sekcji 2.4, umieść celę próbki EC w centralnym punkcie uchwytu SECM i elektrody pseudoreferencyjnej (drut Ag) i podłącz przeciwelektrodę (drut Pt) do bloku złącza sprężynowego (<klasa silna = "xfig">Rysunek 3). Cela na próbki EC jest magnetycznie przymocowana do uchwytu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie oprogramowania SECM przed obrazowaniem
	<ol>
		<li>W oprogramowaniu AFM-SECM wybierz SECM-PeakForce QNM, aby załadować obszar roboczy (<silna klasa="xfig">Rysunek S2).</li>
		<li>W obszarze Setup (Konfiguracja) załaduj sondę SECM, a następnie ustaw laser na końcówce za pomocą stacji wyrównywania.</li>
		<li>Przejdź do nawigacji (<silna klasa="xfig">Rysunek S3). Powoli przesuwaj skaner w dół, aby ustawić ostrość na powierzchni próbki. Dostosuj nieznacznie położenie celi próbki EC, aby upewnić się, że skaner nie dotknie szklanej pokrywy celi próbki EC podczas ruchu. Po ustawieniu ostrości na próbce kliknij przycisk Aktualizuj pozycję ślepego zaangażowania. 
		Uwaga: Różne próbki mają różne wysokości, dlatego po zmianie próbki konieczna jest aktualizacja pozycji zaczepu ślepego.</li>
		<li>Kliknij przycisk Przenieś, aby dodać pozycję płynu.</li>
		<li>Dodaj ~1,8 ml roztworu buforowego do celi próbki EC, aby upewnić się, że poziom roztworu jest niższy niż szklana pokrywa. Jeśli poziom wody znajduje się nad szklaną pokrywą, woda może wkraść się do skanera i spowodować zwarcie elektryczne i uszkodzenie skanera. Odczekaj kolejne 5 minut i za pomocą pipety wymieszaj roztwór, aby usunąć bąbelki. 
		UWAGA: Roztwór buforowy (10 mM [Ru(NH3)6]3+ z elektrolitem podtrzymującym 0,1 M KCl) po przygotowaniu należy stale przechowywać w lodówce. Użyj strzykawki z filtrem (nie większym niż 1 μm wielkości porów), aby przefiltrować roztwór przed jego użyciem.</li>
		<li>Kliknij przycisk Przenieś do pozycji ślepego włączenia. Końcówka przesunie się z powrotem do roztworu buforowego. Lekko wyreguluj laser, aby upewnić się, że laser jest wyrównany na końcówce.</li>
		<li>Otwórz oprogramowanie CHI. Jak pokazano w Rysunek S4, kliknij na polecenie Technika na pasku narzędzi, aby otworzyć selektor technologii i wybierz Potencjał Otwartego Obwodu – Czas. Użyj ustawienia domyślnego (czas wykonania jako 400 s) dla pomiaru OCP i uruchom pomiar OCP. 
		UWAGA: Potencjał pokazany w teście OCP powinien być stabilny bliski zeru.</li>
		<li>Kliknij ponownie polecenie Technika i uruchom woltamperometrię cykliczną (CV), jak pokazano na rys. S5 i rys. S6. 
		UWAGA: Ustaw parametry jak poniżej. W razie potrzeby ustaw "segmenty przeciągnięcia" na większą liczbę. "init E/Final E" powinno być takie samo jak potencjalna wartość z pomiaru OCP, a "High E" i "Low E" mogą wynosić odpowiednio +0,3 V lub -0,3 V "init E/Final E". Tutaj używamy 0 V jako początkowego i wysokiego E oraz -0,4 V jako niskiego i końcowego E. Szybkość skanowania wynosiła 0,05 V/s, a czułość 1 e-009. Uruchom test CV, najwyższy zmierzony tutaj prąd (i) powinien wynosić 0,3-1,2 nA dla 10 mM [Ru(NH3)6]3+.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Obrazowanie SECM
	<ol>
		<li>Wróć do oprogramowania AFM-SECM. Ponieważ końcówka jest już w płynie, kliknij przycisk Zaangażuj.</li>
		<li>Po zeskanowaniu włącz tryb podnoszenia (Lift by Sensor) z wysokością podnoszenia 100 nm i dostosuj wysokość podnoszenia w oparciu o chropowatość próbki.</li>
		<li>W oprogramowaniu CHI uruchom chronoamperometrię z parametrami pokazanymi w Rysunek S7. Ustaw początkowe E na -0,4 V, szerokość impulsu na 1000 sekund (co jest maksymalną liczbą akceptowaną przez system), a czułość taką samą dla CV scan. 
		UWAGA: Technika chronoamperometrii została wybrana ze względu na brak techniki amperometrycznej i-t w prezentowanym potencjostacie.</li>
		<li>Po uruchomieniu programu CHI wróć do oprogramowania AFM-SECM, sprawdź odczyt w czasie rzeczywistym na wykresie paskowym i kliknij Start (<silna klasa = "xfig" > Rysunek S8). Odczyt będzie aktualizowany w czasie rzeczywistym. Wtedy rozpocznie się zarówno obrazowanie topograficzne, jak i bieżący proces obrazowania. Zapisuj obrazy w oprogramowaniu AFM-SECM.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź krzywą podejścia
	<ol>
		<li>Zaczepić końcówkę o obszarze próbki lub podłoża o rozmiarze skanowania 1 μm.</li>
		<li>Uruchomić chronoamperometrię, jak wspomniano w 3.5.3.</li>
		<li>Wróć do oprogramowania AFM-SECM i wybierz polecenie Go To Ramp.</li>
		<li>Kliknij opcję Rampa. Krzywa podejścia byłaby rejestrowana w oprogramowaniu AFM-SECM.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Czyszczenie końcówek
	<ol>
		<li>Używanie celi na próbki EC jako pojemnika na czystą wodę. Przesuwaj końcówkę do środka i na zewnątrz cieczy za pomocą funkcji ślepego załączania w panelu nawigacyjnym. Wymień czystą wodę trzy razy. Po trzykrotnym czyszczeniu, za pomocą czystych chusteczek ostrożnie usuń resztki wody z uchwytu sondy i włóż sondę z powrotem do pudełka z sondą. 
		Uwaga: Po obrazowaniu sondę AFM-SECM należy dokładnie wyczyścić. Nigdy nie używaj wody wypływającej z butelki do mycia sondy, ponieważ ładunek elektrostatyczny może uszkodzić sondę.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W niniejszym protokole opisano połączoną technikę AFM-SECM, która umożliwia obrazowanie multimodalne w wysokiej rozdzielczości. Technika ta pozwala na odwzorowanie topografii jednocześnie z prądem SECM zebranym lub zmapowanym na pojedynczych nanocząstkach lub nanopęcherzykach. Eksperymenty przeprowadzono przy użyciu komercyjnych sond. Sondy te zostały zaprojektowane w celu zapewnienia kompatybilności chemicznej z szerokim zakresem środowisk elektrochemicznych, wydajności elektrochemicznej, stabilności mechanicznej i obsł...

Charakterystyka zachowania elektrochemicznego (EC) może dostarczyć krytycznych informacji na temat kinetyki i mechanizmów reakcji międzyfazowych w różnych dziedzinach, takich jak biologia1,2, energy3,4, synteza materiałów5,6,7, oraz proces chemiczny8,9. Tradycyjne pomiary EC, w tym elektrochemiczna spektroskopia impedancji10, metody szumu elektrochemicznego11, galwanostatyczne miareczkowanie przerywane12 i woltamperometria cykliczna13 są zwykle wykonywane w skali makroskopowej i zapewniają średnią powierzchniową odpowiedzi. W związku z tym trudno jest uzyskać informacje na temat rozkładu aktywności elektrochemicznej na powierzchni, ale właściwości powierzchni w skali lokalnej w nanoskali są szczególnie ważne tam, gdzie nanomateriały są szeroko stosowane. W związku z tym bardzo pożądane są nowe techniki zdolne do jednoczesnego przechwytywania zarówno informacji wielowymiarowych w nanoskali, jak i elektrochemii.
Skaningowa mikroskopia elektrochemiczna (SECM) jest powszechnie stosowaną techniką pomiaru zlokalizowanej aktywności elektrochemicznej materiałów w mikro- i nanoskalach14. Zazwyczaj SECM wykorzystuje ultra-mikroelektrodę jako sondę do wykrywania elektroaktywnych związków chemicznych, gdy skanuje powierzchnię próbki w celu przestrzennego rozdzielenia lokalnych właściwości elektrochemicznych15. Zmierzony prąd w sondzie jest wytwarzany przez redukcję (lub utlenianie) form mediatorów, a prąd ten jest wskaźnikiem reaktywności elektrochemicznej na powierzchni próbki. SECM znacznie ewoluował od czasu swojego powstania w 1989 roku16,17, ale nadal ma dwa główne ograniczenia. Ponieważ sygnały EC są zazwyczaj wrażliwe na charakterystykę interakcji końcówka-podłoże, jednym z ograniczeń SECM jest to, że utrzymywanie sondy na stałej wysokości zapobiega bezpośredniej korelacji aktywności elektrochemicznej z krajobrazem powierzchniowym, ze względu na splot topografii z zebranymi informacjami EC18. Po drugie, komercyjnemu systemowi SECM trudno jest uzyskać rozdzielczość obrazu submikrometrowego (μm), ponieważ rozdzielczość przestrzenna jest częściowo determinowana przez wymiary sondy, które znajdują się w skali mikrometrycznej19. Dlatego nanoelektrody, elektrody o średnicy w zakresie nanometrów, są coraz częściej stosowane w SECM w celu osiągnięcia rozdzielczości poniżej skali submikrometrowej20,21,22,23.
Aby zapewnić stałą kontrolę odległości końcówka-substrat i uzyskać wyższą przestrzenną rozdzielczość elektrochemiczną, użyto kilku hybrydowych technik SECM, takich jak pozycjonowanie przewodnictwa jonowego24, pozycjonowanie siły ścinającej25, SECM26, oraz mikroskopia sił atomowych (AFM) pozycjonowanie. Wśród tych oprzyrządowań bardzo obiecującym podejściem stało się SECM integrujące pozycjonowanie AFM (AFM-SECM). Ponieważ AFM może zapewnić stałe odległości między końcówką a podłożem, zintegrowana technika AFM-SECM umożliwia jednoczesne pozyskiwanie informacji strukturalnych i elektrochemicznych w nanoskali poprzez mapowanie lub zamiatanie próbki za pomocą ostrych końcówek AFM. Od czasu pierwszego udanego uruchomienia AFM-SECM przez MacPhersona i Unwina w 1996 roku27, osiągnięto znaczące ulepszenia w projektowaniu i produkcji sond, a także w jej zastosowaniach w różnych dziedzinach badawczych, takich jak elektrochemia w procesach chemicznych i biologicznych. Na przykład AFM-SECM został zaimplementowany do obrazowania powierzchni materiałów kompozytowych, takich jak nanocząstki metali szlachetnych28, elektrody funkcjonalizowane lub stabilne wymiarowo29,30 oraz urządzenia elektroniczne31. AFM-SECM może mapować miejsca aktywne elektrochemicznie na podstawie obrazu prądu końcówki.
Jednoczesne pomiary topograficzne i elektrochemiczne mogą być również realizowane za pomocą innych technik, takich jak przewodzące AFM32,33,34,35, elektrochemiczny AFM (EC-AFM)36,37,38,39, skaningowa mikroskopia konduktowacyjna jonowa - skaningowa mikroskopia elektrochemiczna (SICM-SECM)24,40, oraz skaningowa mikroskopia elektrochemiczna (SECCM)41,42 Porównanie tych technik zostało omówione w artykule przeglądowym1. Celem niniejszej pracy było wykorzystanie SECM-AFM do zademonstrowania mapowania i pomiarów elektrochemicznych na fasetowanych krystalicznych nanomateriałach i nanopęcherzykach tlenku miedziawego w wodzie. Fasetowane nanomateriały są szeroko syntetyzowane w katalizatorach tlenków metali w zastosowaniach czystej energii, ponieważ fasety o charakterystycznych cechach krystalograficznych mają charakterystyczne powierzchniowe struktury atomowe i dodatkowo dominują nad ich właściwościami katalitycznymi. Co więcej, zmierzyliśmy również i porównaliśmy zachowanie elektrochemiczne na granicy faz ciecz/gaz dla powierzchniowych nanopęcherzyków (NB) na podłożach złotych. NB to bąbelki o średnicy <1 μm (znane również jako ultradrobne pęcherzyki)43 i wywołują wiele intrygujących właściwości44,45, w tym długie czasy przebywania w roztworach46,47 i wysoka efektywność transferu masy gazu46,48. Ponadto zapadanie się NB powoduje powstawanie fal uderzeniowych i powstawania rodników hydroksylowych (•OH)49,50,51,52. Zmierzyliśmy reaktywność elektrochemiczną nanocząsteczek tlenu w roztworze, aby lepiej zrozumieć podstawowe właściwości chemiczne nanolitów.

<table><tbody><tr><td>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mikroskopia sił atomowych</td><td>Bruker, CA</td><td>Dimenison Icon</td><td></td></tr><tr><td>Bipotentiostat</td><td>CH Instruments, Inc.</td><td>CHI 700E</td><td></td></tr><tr><td>Materiały</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>wafel krzemowy</td><td>TED PELLA, Inc.</td><td>16013</td><td></td></tr><tr><td>Świeże złote płytki</td><td>Bruker, CA</td><td>model 119-017-307</td><td></td></tr><tr><td>Sondy PF-SECM-AFM</td><td>Bruker, CA</td><td>990-050138</td><td></td></tr><tr><td>Moduł zwalniający naprężenia PF-SECM</td><td>Bruker, CA</td><td>840-012-724</td><td></td></tr><tr><td>PF-SECM Uchwyt sondy</td><td>Bruker, CA</td><td>900-050121</td><td></td></tr><tr><td>PF-SECM Uchwyt</td><td>Bruker, uchwyt CA</td><td>PF-SECM</td><td></td></tr><tr><td>PF-SECM O-ring</td><td>Bruker, CA</td><td>598-000-106</td><td></td></tr><tr><td>PF-SECM Szkło osłonowe, SECM Cell</td><td>Bruker, CA</td><td>900-050137</td><td></td></tr><tr><td>EC Cell Assy</td><td>Bruker, CA</td><td>932-017-300</td><td></td></tr><tr><td>ESD Field Service</td><td>Bruker, CA</td><td>490-000-066</td><td></td></tr><tr><td>PF-SECM Boot</td><td>Bruker, CA</td><td>900-050136</td><td></td></tr><tr><td>Blok łącznika sprężynowego</td><td>Bruker, CA</td><td>900-050524</td><td></td></tr><tr><td>Pęseta PFSECM</td><td>Bruker, CA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>, SECM Moduł końcówki</td><td>Bruker, CA</td><td>468-050171</td><td></td></tr><tr><td>Drut Ag</td><td>Bruker, CA</td><td>249-000-056</td><td></td></tr><tr><td>Drut Pt</td><td>Bruker, CA</td><td>248-000-004</td><td></td></tr><tr><td>Twardy ostry drut</td><td>Bruker, CA</td><td>TT-ECM10</td><td></td></tr><tr><td>Rurowa membrana ceramiczna</td><td>Refrakton</td><td>WFA0.1</td><td></td></tr><tr><td>Chemicals</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dwuwodny chlorek miedzi(II)</td><td>ACROS Organics</td><td>AC315281000</td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Fisher Chemical</td><td>S318-100</td><td></td></tr><tr><td>Kwas askorbinowy</td><td>Fisher Chemical</td><td>A61-25</td><td></td></tr><tr><td>Epoksydowa</td><td>mieszanka</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>błyskawiczna LoctiteChlorek potasu</td><td>Fisher Chemical</td><td>P217-500</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek heksaammineurotenu(III)</td><td>ACROS Organics</td><td>AC363342500</td><td></td></tr></tbody></table>

sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (afm-secm)

Probing Surface Electrochemical Activity of Nanomaterials using a Hybrid Atomic Force Microscope-Scanning Electrochemical Microscope (AFM-SECM)

Skaningowa mikroskopia elektrochemiczna (SECM) służy do pomiaru lokalnego zachowania elektrochemicznego granic faz ciecz/ciało stałe, ciecz/gaz i ciecz/ciecz. Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest wszechstronnym narzędziem do charakteryzowania mikro- i nanostruktury pod względem topografii i właściwości mechanicznych. Jednak konwencjonalne SECM lub AFM dostarczają ograniczonych, rozdzielonych poprzecznie informacji na temat właściwości elektrycznych lub elektrochemicznych w nanoskali. Na przykład aktywność powierzchni nanomateriału na poziomie fasety krystalicznej jest trudna do rozstrzygnięcia za pomocą konwencjonalnych metod elektrochemicznych. W artykule przedstawiono zastosowanie kombinacji AFM i SECM, a mianowicie AFM-SECM, do badania aktywności elektrochemicznej powierzchni w nanoskali przy jednoczesnym pozyskiwaniu danych topograficznych o wysokiej rozdzielczości. Takie pomiary mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia związku między nanostrukturą a aktywnością reakcji, co jest istotne dla szerokiego zakresu zastosowań w materiałoznawstwie, naukach przyrodniczych i procesach chemicznych. Wszechstronność połączonego AFM-SECM została zademonstrowana poprzez mapowanie właściwości topograficznych i elektrochemicznych fasetowanych nanocząstek (NP) i nanopęcherzyków (NB). W porównaniu z wcześniej opisanym obrazowaniem nanostruktur metodą SECM, AFM-SECM umożliwia ilościową ocenę lokalnej aktywności lub reaktywności powierzchni z wyższą rozdzielczością mapowania powierzchni.

Topografia i obrazowanie prądowe ONB za pomocą AFM-SECM
Poprzednie badania nad charakterystyką NB za pomocą AFM przedstawiały jedynie obrazy topograficzne w celu ujawnienia rozmiaru i rozkładu NB unieruchomionych na stałym podłożu56,57. Przeprowadzone tutaj eksperymenty ujawniły zarówno informacje morfologiczne, jak i elektrochemiczne. Pojedyncze nanobąbelki tlenu (ONB) można wyraźnie zidentyfikować na <strong class="x...

Mikroskopia sił atomowych (AFM) w połączeniu ze skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECM), a mianowicie AFM-SECM, może być używana do jednoczesnego pozyskiwania informacji topograficznych i elektrochemicznych o wysokiej rozdzielczości na powierzchniach materiałów w nanoskali. Takie informacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia niejednorodnych właściwości (np. reaktywności, defektów i miejsc reakcji) na lokalnych powierzchniach nanomateriałów, elektrod i biomateriałów.

Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM)

Scanning electrochemical microscopy (SECM) is used to measure the local electrochemical behavior of liquid/solid, liquid/gas and liquid/liquid interfaces. ...

Protokół ten wykorzystuje potężną i innowacyjną technologię, tak zwaną Mikroskop Sił Atomowych w połączeniu z Elektrochemicznym Mikroskopem Skaningowym, który jest AFM-SECM do skanowania informacji morfologicznych i elektrochemicznych na fasetowanych nanomateriałach i nanopęcherzykach w wodzie. AFM-SECM jest w stanie mapować elektrochemicznie reaktywną powierzchnię na podstawie obrazów prądu końcówki, a także umożliwia jednoczesne pozyskiwanie nanoskalowych struktur powierzchniowych i informacji elektrochemicznych na materiałach próbnych. Przygotowanie próbki do tej metody wymaga, aby cząstki stałe były całkowicie unieruchomione na podłożu, a wiązania między próbkami a podłożami zapewniały przewodność elektryczną.Wybór Redox Mediator jest również krytyczny. Co więcej, demonstracja jest konieczna, aby naprawdę wykazać, że odbyło się to w ramach dedykowanej, oddzielnej operacji w tym protokole, takiej jak systemy przygotowywania próbek, które zachodzą w procesie obrazowania. Umieść 10 mikrolitrów żywicy epoksydowej na oczyszczonej płytce krzemowej za pomocą końcówki pipety i wyłożyć ją czystym szkiełkiem.Po około pięciu minutach upuść 10 mikrolitrów zawiesiny nanocząstek tlenku miedzi na podłoża wafli krzemowych pokrytych żywicą epoksydową. Następnie wysuszyć próżniowo podłoże w temperaturze 40 stopni Celsjusza lub sześciu godzin. Aby przygotować nanopęcherzyki tlenu, bezpośrednio wstrzykuje się sprężony tlen przez rurkową membranę ceramiczną do wody dejonizowanej.Umieść 1,8 mililitra zawiesiny nanopęcherzyków na złotym podłożu w elektrochemicznej celi próbki i ustabilizuj ją przez 10 minut. Zastąp istniejący fragment próbki fragmentem SECM. Następnie przykręć go na miejscu za pomocą dwóch z walcowym M3, 6 mm i klucza imbusowego 2,5 milimetra.Zamontuj moduł zwalniający naprężenie na skanerze AFM i podłącz go do działającego złącza elektrody na bloku złącza sprężynowego za pomocą przedłużacza. Kliknij dwukrotnie dwie ikony oprogramowania, aby zainicjować system AFM i interfejs sterowania potencjostatem. Przygotuj pole wyładowań elektrostatycznych, opakowanie powierzchniowe, w tym podkładkę antystatyczną, stojak na sondę chroniącą przed wyładowaniami elektrostatycznymi, rękawice antystatyczne do noszenia i pasek na nadgarstek.Aby zapobiec narażeniu skanera AFM na działanie cieczy, podczas testowania AFM-SECM należy używać obuwia ochronnego. Umieść uchwyt sondy na stojaku sondy chroniącej przed wyładowaniami elektrostatycznymi i użyj plastikowej pęsety, aby przymocować osłonę ochronną do uchwytu końcówki. Następnie dopasuj małe nacięcie w osłonie ochronnej do wycięcia w uchwycie sondy.Otwórz pudełko sond AFM-SECM za pomocą pęsety z końcówką i chwyć sondę po obu stronach rowków. Użyj chwytaka tarczy, aby przytrzymać uchwyt sondy na stojaku i włóż przewód sondy do otworu w stojaku. Następnie wsuń sondę w szczelinę w uchwycie sondy.Gdy sonda znajdzie się w gnieździe, użyj płaskiego końca pęsety, aby ją wepchnąć. Przymocuj cały uchwyt sondy do skanera i użyj pęsety z końcówką PTFE, aby chwycić przewód tuż pod miedzianym pierścieniem i podłączyć go do modułu. Następnie umieść skaner z powrotem w jaskółczym ogonie.Umieść wcześniej zmontowaną elektrochemiczną celę próbki z próbką testową w centralnym punkcie kawałka SECM. Następnie podłącz pseudoelektrodę odniesienia i przeciwelektrodę do bloku złącza sprężynowego. W oprogramowaniu AFM-SECM wybierz SECM PeakForce QNM, aby załadować obszar roboczy.Podczas konfiguracji załaduj sondę SECM, a następnie wyrównaj laser do końcówki za pomocą stacji wyrównowania. Przejdź do opcji Nawigacja i powoli przesuwaj skaner w dół, aby ustawić ostrość na powierzchni próbki. Dostosuj nieznacznie położenie elektrochemicznych komórek próbki, aby upewnić się, że skaner nie dotyka szklanej pokrywy celi próbki podczas ruchu.Po ustawieniu ostrości na próbce kliknij przycisk Aktualizuj pozycję ślepego zaangażowania. Kliknij, przejdź do pozycji dodawania płynu i dodaj około 1,8 mililitra roztworu buforowego do celi próbki. Upewnij się, że poziom roztworu jest niższy niż szklana pokrywa i że druty są zanurzone w roztworze, użyj pipety do wymieszania roztworu w celu usunięcia pęcherzyków i odczekaj pięć minut.Kliknij, przejdź do pozycji ślepego zaangażowania, co spowoduje, że końcówka przesunie się z powrotem do roztworu buforowego. Lekko wyreguluj laser, aby upewnić się, że laser jest wyrównany na końcówce. Otwórz oprogramowanie elektrochemicznej stacji roboczej i kliknij polecenie techniki na pasku narzędzi, aby otworzyć selektor techniczny.Wybierz Czas potencjału obwodu otwartego i użyj ustawienia domyślnego, aby uruchomić pomiar OCP, który powinien być prawie zerowy i stabilny. Kliknij ponownie polecenie techniki i wybierz Woltamperometria cykliczna, a następnie wprowadź parametry woltamperometrii cyklicznej i kontynuuj obrazowanie SECM. Wróć do oprogramowania AFM-SECM i kliknij Włącz.Następnie wybierz chronoamperometrię i ustaw parametry chronoamperometrii z początkowym minus 0,4 wolta, szerokością impulsu na 1000 sekund i taką samą czułością jak skanowanie CV. Po uruchomieniu programu wróć do oprogramowania AFM-SECM, sprawdź odczyt w czasie rzeczywistym na wykresie paskowym i kliknij start. Zapisz obrazy w oprogramowaniu AFM-SECM.Używając elektrycznej celi na próbki chemiczne jako pojemnika na czystą wodę, wsuwajaj i wyjmuj końcówkę z cieczy za pomocą funkcji Blind Engage w panelu nawigacyjnym, trzykrotnie zmieniając wodę. Następnie użyj czystych chusteczek, aby ostrożnie usunąć resztki wody z uchwytu sondy i włóż sondę z powrotem do pudełka na sondę. Protokół ten wykorzystano do scharakteryzowania pojedynczych nanopęcherzyków tlenu, ujawniając zarówno informacje morfologiczne, jak i elektrochemiczne.Porównanie topografii terenu z obecnym obrazem pokazuje korelację między położeniem nanopęcherzyków a obecnymi plamami. Topografia i aktualne obrazy nanocząstek tlenku miedzi są pokazane tutaj. Obraz prądu końcówki wskazuje, że nanocząstka widoczna na obrazie topograficznym jest związana z wyraźną plamką prądu elektrycznego.Natomiast prąd tła odpowiada płaskiemu podłożu krzemowemu. Oto pięć reprezentatywnych krzywych woltamperometrii cyklicznej końcówki AFM-SECM w odległości około jednego milimetra od podłoża. Prąd końcówki ograniczony dyfuzją nie zmniejszał się z upływem czasu.W tym miejscu wykreślane są zmiany prądu końcówki w miarę zbliżania się końcówki do powierzchni próbki. Końcówka AFM-SECM zbliżała się do powierzchni podłoża w kierunku Z, aż osiągnęła nastawę wskazującą fizyczny kontakt lub zginanie podłoża końcówki. W tym protokole upewnij się, że cząstka stała jest unieruchomiona jako podłoże, ma całkowicie przewodność elektryczną i nie ma pęcherzyków w roztworze w komórce próbki.Metody przygotowania próbek są istotne dla szerszego zakresu zastosowań obejmujących nanomateriały, zwłaszcza do charakteryzacji nanomateriałów. Technika AFM-SECM może być wykorzystana do uzyskania jednoczesnej topografii i obrazu elektrochemicznego w nanoskali, co jest ważne w rozwoju i zastosowaniu nanomateriałów w dziedzinach badawczych, takich jak materiałoznawstwo, chemia i nauki przyrodnicze.

probing-surface-electrochemical-activity-nanomaterials-using-hybrid

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Prezentujemy unikalną platformę do charakteryzowania powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), która umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu technik charakteryzacji (np. spektroskopia Ramana in situ i mikroskopia z sondą skaningową wraz z pomiarami elektrochemicznymi). Uzupełniające informacje uzyskane dzięki tym analizom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji i degradacji elektrod, dostarczając informacji na temat racjonalnego projektowania lepszych...

Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm.

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

Nanoskopia sondy koloidalnej może być używana w różnych dziedzinach, aby uzyskać wgląd w fizyczną stabilność i kinetykę krzepnięcia systemów koloidalnych oraz pomóc w odkrywaniu leków i naukach o recepturach przy użyciu systemów biologicznych. Opisana w nim metoda dostarcza ilościowych i jakościowych środków do badania takich systemów.

Ilościowe i jakościowe badanie oddziaływań cząstka-cząstka za pomocą nanoskopii sondy koloidalnej

Metoda badania struktury fotoreceptora białkowego za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) jest opisana w tym artykule. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) ujawnia nienaruszone dimery białkowe na powierzchni miki.

Mikroskopia sił atomowych fotoreceptorów światła czerwonego przy użyciu ilościowego mapowania właściwości nanomechanicznych PeakForce

Przedstawiamy protokół funkcjonalizacji wsporników mikroskopu sił atomowych (AFM) z pojedynczym limfocytem T i cząstką kulki do badań immunologicznych. Przedstawiono procedury badania wiązania jednoparowych komórek T z komórkami dendrytycznymi przez AFM oraz monitorowania odpowiedzi komórkowej makrofagów w czasie rzeczywistym na pojedynczą cząstkę stałą za pomocą AFM z obrazowaniem fluorescencyjnym.

Funkcjonalizacja wsporników mikroskopu sił atomowych z pojedynczymi limfocytami T lub pojedynczą cząstką do immunologicznej spektroskopii sił pojedynczych komórek

Opisujemy zastosowanie nanospektroskopii w podczerwieni i mikroskopii sił atomowych o wysokiej rozdzielczości do wizualizacji procesu samoorganizacji białek w agregaty oligomeryczne i fibryle amyloidowe, co jest ściśle związane z powstawaniem i rozwojem szerokiego zakresu ludzkich zaburzeń neurodegeneracyjnych.

Charakterystyka poszczególnych agregatów białkowych za pomocą nanospektroskopii w podczerwieni i mikroskopii sił atomowych

Połączenie syntezy wspomaganej roztworem i powierzchniowo otwiera nowe kierunki w atomowo precyzyjnej syntezie nanostruktur. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) uzupełniona o bezkontaktową mikroskopię sił atomowych (nc-AFM) umożliwia szczegółową charakterystykę nowo zaprojektowanych i wygenerowanych nanoobiektów na bazie węgla.

Mikroskopowa wizualizacja porowatych nanografenów zsyntetyzowanych przez połączenie roztworu i chemii powierzchniowej

Mikroskopia siły sondy Kelvina (KPFM) mierzy topografię powierzchni i różnice w potencjale powierzchni, podczas gdy skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i związane z nią spektroskopie mogą wyjaśnić morfologię powierzchni, skład, krystaliczność i orientację krystalograficzną. W związku z tym kolokalizacja SEM z KPFM może zapewnić wgląd w wpływ składu i struktury powierzchni w nanoskali na korozję.

Koloktuacja mikroskopii sił sondy Kelvina z innymi mikroskopami i spektroskopiami: wybrane zastosowania w charakterystyce korozji stopów

Wielkoskalowa kontrola próbek z rozdzielczością nanoskali ma szeroki zakres zastosowań, szczególnie dla nanofabrykowanych płytek półprzewodnikowych. Mikroskopy sił atomowych mogą być doskonałym narzędziem do tego celu, ale są ograniczone przez szybkość obrazowania. W tej pracy wykorzystuje się równoległe aktywne układy wspornikowe w AFM, aby umożliwić inspekcje o wysokiej przepustowości i na dużą skalę.

Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę

Protokół opisuje, jak monitorować zdarzenia elektrochemiczne na pojedynczych nanocząstkach za pomocą powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii rozpraszania Ramana i obrazowania.

Śledzenie elektrochemii pojedynczych nanocząstek za pomocą spektroskopii i mikroskopii rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

Poznaj metodę AFM-SECM do jednoczesnego mapowania topografii i właściwości elektrochemicznych nanomateriałów. Technika ta umożliwia badanie reaktywności powierzchniowej i defektów na poziomie nanoskali.

Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM) (Wideo) | JoVE Journal

Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM)

Przeglądaj więcej filmów