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Chemistry

Évaluation des dopé au bore Diamant électrode qualité et l'application de Published: January 6, 2016 doi: 10.3791/53484
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1, 1
1Warwick Electrochemistry and Interfaces Group, Department of Chemistry, University of Warwick

Abstract

Boron diamant dopé (BDD) électrodes ont montré prometteur comme matériau d'électrode où beaucoup de leurs propriétés telles que rapportées fenêtre étendue solvant, faible courant de base, résistance à la corrosion, etc., découlent de la nature catalytique inerte de la surface. Cependant, si pendant le processus de croissance, non-diamant en carbone (NDC) est incorporé dans la matrice d'électrodes, les propriétés électrochimiques changent lorsque la surface devient plus catalytiquement actif. En tant que tel, il est important que la électrochimiste est conscient de la qualité et des propriétés électrochimiques résultant clés de l'électrode BDD avant utilisation. Ce document décrit une série d'étapes de caractérisation, y compris la microscopie Raman, la capacité, la fenêtre solvant et redox électrochimie, de vérifier si l'électrode BDD contient négligeable NDC dire négligeable sp 2 carbone. Une application est mise en surbrillance qui tire parti de la catalytiquement inerteet à la corrosion résistant à la nature d'une surface NDC-libre-à-dire protons locale stable et quantifiable et la production d'hydroxyde raison de l'électrolyse de l'eau à une électrode BDD. Une approche pour mesurer le changement de pH locale induite par électrolyse de l'eau à l'aide d'oxyde d'iridium électrodes enrobées BDD est également décrite en détail.

Introduction

Choix du matériau d'électrode est d'une grande importance lorsqu'ils procèdent à une étude électroanalytique. Au cours des dernières années, sp 3 carbone (diamant) dopé avec du bore suffisante pour rendre la matière "métal-like" est devenu un choix populaire pour un large éventail d'applications électroanalytiques raison de son excellente électrochimique (et thermiques et mécaniques) propriétés 1,2 , 3. Ceux-ci comprennent la résistance à la corrosion dans la solution, température et de pression des conditions extrêmes 4 ultra-larges fenêtres de solvants, faible courant de base, et l'encrassement réduite, en comparaison à d'autres matériaux d'électrode couramment utilisés 5-7,3. Cependant, l'augmentation non-diamant en carbone (NDC: sp 2) résultats de contenu dans une fenêtre de solvant, ce qui augmente la diminution des courants de fond 7,8, changements à la fois une intégrité structurelle et sensibilité à l'égard de différentes espèces sphère d'oxydo-réduction, par exemple intérieures. l'oxygène 9-12.

Remarque pour siMe applications, la présence NDC est considérée comme avantageuse 13. En outre, si le matériau ne contient pas de bore suffisante, il se comporte comme un type p et semi-conducteur montrer une sensibilité réduite aux espèces redox dans la fenêtre de potentiel réducteur, où le matériau est plus appauvrie en porteurs de charge 7. Enfin, la chimie de surface de diamant dopé bore (BDD) peut également jouer un rôle dans la réponse électrochimique observée. Cela est particulièrement vrai pour les espèces intérieures de la sphère qui sont sensibles à la chimie des surfaces et de réduire diamant dopé où l'hydrogène (H -) - surface résilié peut faire une BDD électrode de semi-conducteur apparaît "comme le métal-" 7.

Pour profiter des propriétés supérieures de BDD, il est souvent essentiel du matériau est suffisamment dopé et contient aussi peu que possible NDC. En fonction de la méthode adoptée pour développer la BDD, les propriétés peuvent varier de 14,15. Cet article propose d'abord un matériel et d'un éluGuide rochemical de protocole de caractérisation pour évaluer BDD électrode aptitude avant de l'utiliser (ie suffisamment de bore, minime NDC), puis décrit une application basée sur le changement de pH localement électrochimique en utilisant l'électrode de protocole-vérifié. Ce processus prend avantage de la résistance de surface du NDC sans BDD vers corrosion ou dissolution en vertu de l'application des extrêmes appliquée potentiels (ou les courants) pendant de longues périodes de temps. En particulier, l'utilisation d'une électrode pour générer BDD stable proton (H +) ou l'hydroxyde (OH -) en raison de fondants électrolyse (oxydation ou de réduction, respectivement) de l'eau à proximité étroite d'une deuxième (capteur) 16,17 est décrit aux présentes.

De cette manière, il est possible de contrôler le pH de l'environnement du capteur d'une manière systématique, par exemple pour des expériences de titrage pH, ou pour fixer le pH à une valeur où le procédé électrochimique est la plus sensible. Ce dernier est particulièrement utile pourles applications où le capteur est placé à la source, par exemple, rivière, mer et le pH du système ne sont pas optimaux pour la mesure électrochimique d'intérêt. Deux exemples récents comprennent: (i) génération d'un pH faible localisée, dans une solution de pH neutre, pour le dépôt électrolytique de décapage et de mercure 17; noter BDD est un matériau privilégié pour électrodéposition des métaux due à la fenêtre cathodique prolongée 9,18,19. (ii) la quantification de la forme détectable par voie électrochimique de l'hydrogène sulfuré, présent à un pH élevé, en augmentant localement le pH de neutre à alcalin fortement 16.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Pt Wire Counter Electrode
Saturated Calomel Electrode IJ Cambria Scientific Ltd. 2056 Reference Electrode (alternatively use Ag|AgCl)
BDD Electrode Working Electrode
Iridium Tetrachloride VWR International Ltd 12184.01
Hydrogen Peroxide Sigma-Aldrich H1009 (30% w/w) Corrosive
Oxalic Acid  Sigma-Aldrich 241172 Harmful, Irritant
Anhydrous Potassium Chloride Sigma-Aldrich 451029
Sulphuric Acid VWR International Ltd 102765G (98%) Corrosive
Potassium Nitrate Sigma-Aldrich 221295
Hexaamine Ruthenium Chloride Strem Chemicals Inc. 44-0620 Irritant
Perchloric Acid Sigma-Aldrich 311421 Oxidising, Corrosive
2-Propanol Sigma-Aldrich 24137 Flammable
Nitric Acid Sigma-Aldrich 695033 Oxidising, Corrosive
Sputter/ Evapourator With Ti & Au targets
Raman 514.5 nm laser
Annealing Oven Capable of 400 °C
Ag paste Sigma-Aldrich 735825 or other conductive paint
Potentiostat
pH Buffer solutions Sigma-Aldrich 38740-38752 Fixanal buffer concentrates
Phenolphthalein Indicator VWR International Ltd 210893Q
Methyl Red Indicator Sigma-Aldrich 32654

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