Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Зондирование поверхностной электрохимической активности наноматериалов с помощью гибридного атомно-силового микроскопа-сканирующего электрохимического микроскопа (AFM-SECM)

Published: February 10, 2021 doi: 10.3791/61111
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Civil and Environmental Engineering, New Jersey Institute of Technology

Summary

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) в сочетании со сканирующей электрохимической микроскопией (ТСЭМ), а именно АСМ-ТСЭМ, может использоваться для одновременного получения топографической и электрохимической информации высокого разрешения на поверхностях материалов на наноуровне. Такая информация имеет решающее значение для понимания гетерогенных свойств (например, реакционной способности, дефектов и мест реакций) на локальных поверхностях наноматериалов, электродов и биоматериалов.

Abstract

Сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM) используется для измерения локального электрохимического поведения интерфейсов жидкость/твердое вещество, жидкость/газ и жидкость/жидкость. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является универсальным инструментом для характеристики микро- и наноструктуры с точки зрения топографии и механических свойств. Однако обычные SECM или AFM предоставляют ограниченную информацию с боковым разрешением об электрических или электрохимических свойствах на наноуровне. Например, активность поверхности наноматериала на уровнях кристаллической грани трудно определить обычными электрохимическими методами. В настоящем документе сообщается о применении комбинации AFM и SECM, а именно AFM-SECM, для исследования наноразмерной поверхностной электрохимической активности при получении топографических данных высокого разрешения. Такие измерения имеют решающее значение для понимания взаимосвязи между наноструктурой и реакционной активностью, которая имеет отношение к широкому спектру применений в материаловедении, науке о жизни и химических процессах. Универсальность комбинированного AFM-SECM демонстрируется картографированием топографических и электрохимических свойств граненых наночастиц (НП) и нанопузырьков (НБ) соответственно. По сравнению с ранее сообщенной ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ наноструктур SECM, этот AFM-SECM позволяет количественно оценить локальную поверхностную активность или реакционную способность с более высоким разрешением картирования поверхности.

Introduction

Характеристика электрохимического (ЕС) поведения может обеспечить критическое понимание кинетики и механизмов межфазных реакций в различных областях, таких как биология1,2,энергия3,4,синтез материала5,6,7и химический процесс8,9. Традиционные измерения ЕС, включая электрохимическую импидансную спектроскопию10,методы электрохимического шума11,гальваностатические прерывистое титрование12и циклическую вольтамметрию13, обычно выполняются в макроскопическом масштабе и обеспечивают среднеповазную реакцию. Таким образом, трудно извлечь информацию о том, как электрохимическая активность распределяется по поверхности, но свойства поверхности в локальном масштабе в наномасштабе особенно важны там, где широко используются наноматериалы. Поэтому новые методы, способные одновременно захватывать как наноразмерную многомерную информацию, так и электрохимию, очень желательны.

Сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM) является широко используемым методом измерения локализованной электрохимической активности материалов на микро- и наноуровне14. Как правило, SECM использует ультра-микроэлектрод в качестве зонда для обнаружения электроактивных химических веществ, поскольку он сканирует поверхность образца для пространственного разрешения локальных электрохимических свойств15. Измеряемый ток на зонде производится путем восстановления (или окисления) породы медиатора, и этот ток является индикатором электрохимической реакционной способности на поверхности образца. SECM значительно эволюционировал после своего первого создания в 1989году 16,17, но он по-прежнему оспаривается двумя основными ограничениями. Поскольку сигналы EC обычно чувствительны к характеристикам взаимодействия наконечник-подложка, одним из ограничений SECM является то, что поддержание зонда на постоянной высоте предотвращает прямую корреляцию электрохимической активности с ландшафтом поверхности из-за свертки топографии с собранной информацией EC18. Во-вторых, коммерческой системе SECM трудно получить разрешение изображения субмикрометра (мкм), поскольку пространственное разрешение частично определяется размерами зонда, которые составляют микрометровую шкалу19. Поэтому наноэлектроды, электроды с диаметром в нанометровом диапазоне, все чаще используются в SECM для достижения разрешения ниже субмикрометровой шкалы20,21,22,23.

Для обеспечения постоянного контроля расстояния между наконечником и подложкой и получения более высокого пространственного электрохимического разрешения было использовано несколько гибридных методов SECM, таких как позиционирование ионной проводимости24,позиционирование силы сдвига25,переменный ток SECM26и позиционирование атомно-силовой микроскопии (AFM). Среди этих инструментов SECM, интегрируя позиционирование AFM (AFM-SECM), стал очень перспективным подходом. Поскольку AFM может обеспечить фиксированные расстояния между наконечником и подложкой, интегрированный метод AFM-SECM позволяет одновременно получать наноразмерную структурную и электрохимическую информацию о поверхности путем картирования или подметания образцов с помощью острых наконечников AFM. С момента первой успешной эксплуатации AFM-SECM Макферсоном и Анвином в 1996году 27,были достигнуты значительные улучшения в конструкции и изготовлении зонда, а также его применении в различных областях исследований, таких как электрохимия в химических и биологических процессах. Например, AFM-SECM был реализован для визуализации поверхностей композитных материалов, таких как наночастицы благородных металлов28,функционализированные или размерно стабильные электроды29,30и электронные устройства31. AFM-SECM может отображать электрохимически активные участки по изображению тока наконечника.

Одновременные топографические и электрохимические измерения также могут быть достигнуты другими методами, такими какпроводящая AFM32,33, 34,35,электрохимическая AFM (EC-AFM)36,37, 38,39,сканирующая иопроводящая микроскопия, сканирующая электрохимическая микроскопия (SICM-SECM)24,40и сканирующая электрохимическая клеточная микроскопия (SECCM)41,42 Сравнение этих методов обсуждалось в обзорной работе1. Цель настоящей работы состояла в том, чтобы использовать SECM-AFM для демонстрации электрохимического картирования и измерения на граненых кристаллических наноматериалах оксида меди и нанопузырьках в воде. Граненые наноматериалы широко синтезируются для катализаторов оксида металла в приложениях чистой энергии, поскольку грани с отличительными кристаллографическими особенностями имеют отличительные поверхностные атомные структуры и далее доминируют в своих каталитических свойствах. Кроме того, мы также измерили и сравнили электрохимическое поведение на границе раздела жидкость/газ для поверхностных нанопузырьков (НБ) на золотых подложках. НБ представляют собой пузырьки диаметром <1 мкм (также известные как ультратонкие пузырьки)43,и они вызывают множество интригующих свойств44,45,включая длительное время пребывания в растворах46,47 и высокую эффективность массообмофера газа46,48. Кроме того, коллапс НБ создает ударные волны и образование гидроксильных радикалов (•OH)49,50,51,52. Мы измерили электрохимическую реакционную способность кислородных НБ в растворе, чтобы лучше понять фундаментальные химические свойства НБ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Пробоподготовка

  1. Получение граненых наночастиц Cu2O и осаждение на кремниевую подложку
    1. Растворить 0,175 г CuCl2∙2H2O (99,9%) в 100 мл деионизированной (DI) воды для получения водного раствора 10 мМ CuCl2.
    2. Добавьте 10,0 мл 2,0 М NaOH и 10 мл 0,6 М аскорбиновой кислоты по каплям в раствор CuCl2.
    3. Нагревайте раствор в колбе круглого дна 250 мл при постоянном перемешиве на водяной бане при 55 °C в течение 3 ч.
    4. Собирают полученный осадок центрифугированием (5000 х г в течение 15 мин) с последующей промывкой водой DI 3 раза и этанолом дважды для удаления остаточных неорганических ионов и полимеров.
    5. Сухой осадок в вакууме при 60 °C в течение 5 ч53.
    6. Используйте подготовленную кремниевую пластину в качестве подложки для нанесения наночастиц Cu2O, как показано на рисунке 1A, с использованием эпоксидной смолы для обеспечения тестирования.
      Внимание: Кремниевая пластина (Ø3" Silicon wafer, тип P/<111>) была разрезана на один кусок размером 38 мм х 38 мм с последующей промывкой с использованием этанола, метанола и воды DI для удаления органических и неорганических загрязнений.
    7. Непосредственно нанесите 10 мкл эпоксидной смолы на очищенную кремниевую пластину с помощью наконечника пипетки и плитки с чистым стеклянным слайдом. Примерно через 5 мин капнули 10 мкл наночастиц/водной суспензии (10 мгл-1)на различные подложки кремниевых пластин с эпоксидным покрытием, отдельно. Четыре различных красных пятна, показанных на рисунке 1B, указывают на потенциальное положение осажденных наночастиц.
    8. Вакуумная сушка подложки при 40 °C в течение 6 ч.
    9. Поместите подложку образца в ячейку образца ЕС(рисунок 4)для заполнения 1,8 мл 0,1 М ККл, содержащего 10 мМ Ru(NH3)6Cl3(98%).
  2. Подготовка НБ
    1. Генерация кислородных нанопузырьков путем прямого впрыска сжатого кислорода (чистота 99,999%) через трубчатую керамическую мембрану (размер пор 100 нм, WFA0.1) в воду DI.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Газ впрыскивался непрерывно под давлением 414 кПа и потоком 0,45л·м-1 до достижения стабильного распределения размера пузырьков, как сообщается в другом месте54.
    2. Добавьте 1,8 мл водной суспензии НБ на золотую подложку в ячейку образца ЕС и стабилизируем в течение 10 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Свежие золотые пластины размером 40 мм x 40 мм (Au на Si) использовались в качестве подложки для иммобилизации НБ.
    3. Декант 0,9 мл суспензии NB и заменить на 0,9 мл раствора 10 мМ Ru(NH3)6Cl3 в 0,1 МКл.

2. Настройка AFM-SECM

ПРИМЕЧАНИЕ: В представленных измерениях AFM-SECM использовался AFM. Для выполнения анализа EC AFM был оснащен бипотенциостатом и аксессуарами SECM. Как показано на рисунке S1,бипотенциостат был подключен к контроллеру AFM, и как potentiostat, так и AFM были подключены к одному компьютеру. Аксессуары включают в себя патрон SECM, держатель зонда SECM с защитным багажником и модуль тенз-релиза с селектором сопротивления (использовалось сопротивление 10 МОм) для ограничения максимального потока тока55. Как показано на рисунке 2,зонды AFM-SECM имеют радиус наконечника 25 нм и высоту наконечника 215 нм. Образец действовал как рабочий электрод, который разделяет тот же псевдо-эталон с использованием электрода проволоки Ag (диаметр 25 мм) и встречного электрода проволоки Pt (диаметром 25 мм). Зонд и образец могут быть смещены при разных потенциалах (по сравнению с псевдо-эталонным электродом Ag-проволоки), чтобы обеспечить различные окислительно-восстановительные реакции. В представленной работе наконечник уменьшает [Ru(NH3) 6]3+ до [Ru(NH3) 6]2+ при -400 мВ по сравнению с псевдоосновным электродом Ag-провода.

  1. Замените существующий образец патрона на патрон SECM и прикрутите патрон на место, используя два винта головки разъема M3 x 6 мм и шестигранный ключ 2,5 мм(рисунок 3A).
  2. Подключите кабель контроля температуры к патрону SECM и подключите малошумные кабели SECM к блоку пружинного разъема (цвет к цвету) и блоку переключателей(рисунок 3B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Переключатель должен быть сохранен на правой стороне во время тестирования SECM.
  3. Установите на сканер AFM модуль с тензором, а также подключите его к рабочему разъему электрода на блоке пружинного разъема с удлинителем(рисунок 3C).
  4. Соберите пробную ячейку EC.
    1. Наденьте вставку на верхнее кольцо(рисунок 4A).
    2. Соберите два уплотнитеных кольца на нижнюю канавку и верхнюю канавку вставки соответственно(рисунок 4B и рисунок 4C).
    3. Наденьте стеклянную крышку на верхнюю часть кольца, а затем затяните четырьмя винтами слегка и по диагонали(рисунок 4D).
    4. Используйте жесткую острую проволоку диаметром 24 мм(рисунок 4Е),чтобы проткнуть два отверстия в уплотнительном кольце через два канала пластиковой части на верхнем кольце(рисунок 4F).
    5. Вставьте проволоку Ag и проволоку Pt через отверстие на уплотнительном кольце и приогните провод Pt к кругу в ячейке образца EC, как показано на рисунке 4G.
    6. Чтобы запечатать верхнюю часть ячейки образца EC, прижмите собранную ячейку образца EC вниз к нижней части ячейки образца EC, чтобы уплотнительное кольцо полностью соприкасалось со стеклянной крышкой(рисунок 4H).
    7. Поместите верхнюю часть ячейки образца ЕС вверх ногами и лицом к испытуемой пробе (или подложке) вниз так, чтобы подпружиненные штифты (pogo pins) касались поверхности образца, как показано на рисунке 4I и рисунке 4J. Испытательный образец должен покрывать уплотнительное кольцо, чтобы сделать уплотнение нижней части ячейки образца ЕС.
    8. Наденьте нижнюю часть ячейки образца EC и затяните по диагонали винтом правой длины(рисунок 4K).

3. Эксплуатация AFM-SECM

  1. Инициализация приборов AFM и бипотенциостата
    1. Дважды щелкните два значка программного обеспечения, чтобы инициализировать систему AFM и интерфейс управления bipotentiostat.
  2. Загрузка зонда SECM
    1. Подготовьте пакет услуг ESD в полевых условиях, включая антистатическую прокладку, защитную подставку для электростатического разряда (ESD), носимые антистатические перчатки и ремешок на запястье(рисунок 5A). На рисунке 5B показано соединение монитора ESD с ремешком на запястье.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Монитор ESD издает звуковой сигнал, когда красная подушка соединена с землей. Звуковой сигнал прекратится, когда пользователь наденет ремешок на запястье.
    2. Чтобы предотвратить воздействие жидкости на сканер AFM, используйте защитный багажник(рисунок 6A)во время тестирования AFM-SECM. Поместите держатель зонда на защитную подставку для зондов ESD(рисунок 6B). Используйте пару пластиковых пинцетов, чтобы прикрепить защитный ботинок к держателю наконечника(рисунок 6C). Затем выровняйте небольшой разрез в защитном ботинке с выемкой в держателе зонда, как показано на рисунке 6D.
    3. Откройте коробку зондов AFM-SECM(рисунок 7A)с помощью пинцета (зеленого цвета), чтобы захватить зонд с обеих сторон канавок(рисунок 7B). При использовании дискового захвата (серебристого цвета) для удержания держателя зонда на подставке, вставьте провод зонда в отверстие подставки, а затем вставьте зонд в гнездо держателя зонда(рисунок 7C). После того, как зонд окажется внутри слота, используйте плоский конец пинцетка, чтобы втолкнуть его внутрь. Убедитесь, что зонд полностью находится в держателе наконечника(рисунок 7D).
    4. Как показано на рисунке 8A,прикрепите к сканеру весь держатель зонда (включая держатель-багажник).
    5. Используйте пинцет с тефлоновым наконечником, чтобы захватить провод прямо под медным кольцом и подключить его к модулю(рисунок 8B).
    6. Поместите сканер обратно к ласточкин хвост.
  3. Загрузка ячейки образца
    1. После сборки испытательного образца (или подложки) в ячейку образца ЕС, которая была упомянута в разделе 2.4, поместите ячейку образца ЕС на центральную точку патрона SECM и псевдоотсчетного электрода (ag-провод) и подключите контрэлектрод (Pt-провод) к блоку пружинного разъема(рисунок 3). Пробоотборная ячейка EC магнитно прикреплена к патрону.
  4. Подготовка программного обеспечения SECM перед созданием образа
    1. В программном обеспечении AFM-SECM выберите SECM-PeakForce QNM для загрузки рабочего пространства(рисунок S2).
    2. В программе установкизагрузите зонд SECM, а затем выровняйте лазер на наконечнике с помощью станции выравнивания.
    3. Перейдите в навигацию (рисунок S3). Медленно переместите сканер вниз, чтобы сфокусироваться на поверхности образца. Немного отрегулируйте положение ячейки образца EC, чтобы убедиться, что сканер не коснется стеклянной крышки ячейки образца EC во время движения. Сосредоточив внимание на примере, нажмите кнопку Обновить положение слепого взаимодействия.
      Внимание: Разные образцы имеют разную высоту, поэтому необходимо обновить положение слепого зацепки после изменения образца.
    4. Нажмите кнопку Переместить, чтобы добавить положение жидкости.
    5. Добавьте ~1,8 мл буферного раствора в ячейку образца ЕС, чтобы убедиться, что уровень раствора ниже, чем у стеклянной крышки. Если уровень воды находится над стеклянной крышкой, вода может подползти к сканеру и вызвать электрическое короткое замыкание и сломать сканер. Подождите еще 5 минут и используйте пипетку, чтобы перемешать раствор для удаления пузырьков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Буферный раствор (10 мМ [Ru(NH3)6]3+ с поддерживающим электролитом 0,1 МКл) после приготовления следует постоянно хранить в холодильнике. Используйте шприц с фильтром (размер пор не более 1 мкм) для фильтрации раствора перед его использованием.
    6. Нажмите кнопку Переместить в положение слепого вовлечения. Наконечник переметится обратно в буферный раствор. Слегка отрегулируйте лазер, чтобы убедиться, что лазер выровнен на наконечнике.
    7. Откройте программное обеспечение CHI. Как показано на рисунке S4,нажмите на команду Technique на панели инструментов, чтобы открыть технический селектор и выбрать Open Circuit Potential – Time. Используйте значение по умолчанию (Время выполнения как 400 с) для измерения OCP и запустите измерение OCP.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Потенциал, показанный в тесте OCP, должен быть близок к нулю стабильно.
    8. Снова щелкните команду Technique и запустите циклическую вольтаместретрию (CV),как показано на рисунках S5 и S6.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройте параметры, как показано ниже. При необходимости установите для «сегментов развертки» большее число. "init E/Final E" должно совпадать с потенциальным значением при измерении OCP, а "High E" и "Low E" могут составлять +0,3 В или −0,3 В от "init E/Final E", соответственно. Здесь мы используем 0 В как начальное и высокое E и -0,4 В как низкое и конечное E. Скорость сканирования составляла 0,05 В/с, а чувствительность — 1 e-009. Запустите тест CV, наибольший ток (i), измеренный здесь, должен составлять 0,3-1,2 нА для 10 мМ [Ru(NH3)6]3+.
  5. Визуализация SECM
    1. Вернитесь к программному обеспечению AFM-SECM. Поскольку подсказка уже находится в жидкости, нажмите кнопку Вовлечь.
    2. После сканирования включите режим подъема (Lift by Sensor) с высотой подъема 100 нм и отрегулируйте высоту подъема в зависимости от шероховатости образца.
    3. В программном обеспечении CHI запустите хроноамперометрию с параметрами, показанными на рисунке S7. Установите начальный E как -0,4 В, ширину импульса как 1000 секунд (что является максимальным числом, принятым системой), а чувствительность такая же при сканировании CV.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Метод хроноамперометрии был выбран из-за отсутствия амперометрического метода i-t в представленном би-потенциостате.
    4. После запуска программы CHI вернитесь к программному обеспечению AFM-SECM, проверьте показания в режиме реального времени на графике полосы и нажмите «Пуск» (рисунок S8). Показания будут обновляться в режиме реального времени. Затем начнется как топографическая визуализация, так и текущий процесс визуализации. Сохраняйте изображения в программном обеспечении AFM-SECM.
  6. Проверка кривой подхода
    1. Задействуйте наконечник на образце или области подложки с размером сканирования 1 мкм.
    2. Запустите хроноамперометрию, как указано в 3.5.3.
    3. Вернитесь в программное обеспечение AFM-SECM и выберите команду Перейти к рампе.
    4. Щелкните Рампа. Кривая приближения будет записана в программном обеспечении AFM-SECM.
  7. Очистка наконечников
    1. Использование пробоотборной ячейки ЕС в качестве контейнера для чистой воды. Перемещайте наконечник в жидкость и из нее с помощью функций слепого вовлечения на навигационной панели. Меняйте чистую воду три раза. После этой трехкратной очистки, используя чистые салфетки, осторожно удалите остаточную воду из держателя зонда и поместите зонд обратно в ящик для зондов.
      Внимание: После визуализации зонд AFM-SECM необходимо тщательно очистить. Никогда не используйте воду, вытекавшую из бутылки для стирки, чтобы очистить зонд, так как электростатический заряд может повредить зонд.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Топография и текущая визуализация ONB с помощью AFM-SECM

Предыдущие исследования, которые характеризовали НБ с ПОМОЩЬЮ AFM, сообщали только о топографических изображениях, чтобы выявить размер и распределение НБ, обездвиженных на твердой подложке56,57. Эксперименты здесь выявили как морфологическую, так и электрохимическую информацию. Отдельные нанопузырьки кислорода (ONB) могут быть четко идентифицированы на рисунке 9,который обеспечивает топографию, а также текущее отображение или информацию наконечника. Ток наконечника был сгенерирован окислительно-восстановительной реакцией [Ru(NH3)6]3+, которая уменьшается до[Ru(NH3)6]2+ на кончике при потенциале смещения при -0,4 В, как показано на рисунке 9C. Сравнение топографии и текущего изображения показывает хорошую корреляцию между расположением НБ и текущими пятнами. Этот результат подтверждает, что ONB могут способствовать диффузиии массопереносу [Ru(NH3)6]3+ из объемного раствора в область наконечника58 и приводить к более высокому току (относительно фонового тока подложки 6 пА) при сканировании наконечника AFM-SECM надНБ 59.

Топография и текущая визуализация Cu2O NPs с помощью AFM-SECM

Топография и текущие изображения наночастиц Cu2O представлены на рисунке 10. Ток наконечника был получен за счет окислительно-восстановительной реакции[Ru(NH3)6]3+,которые также уменьшаются на кончике с потенциалом при -0,4 В, как показано на рисунке 10C. Наночастица составляет около 500-1000 нм в размере. Представленное топографическое изображение было обработано обработкой сплющивания1-го порядка. Размер частиц, определяемый AFM, сопоставим с размером, полученным из изображения SEM. Длина или ширина немного больше, чем высота наночастиц (около 500 нм) из-за эффекта свертки наконечника, хорошо известного артефакта в процессе визуализации AFM, который вызывает переоценку размера объекта наконечником60AFM конечного размера. В этом исследовании, поскольку наночастица Cu2O имеет острую форму октаэдра, наконечник AFM может не касаться крутой боковины и дна, и этот эффект свертки может объяснить многие боковые расширения поверхности61. Рисунок 10B показывает, что наночастица, видимая на топографическом изображении, связана с видимым «пятном» электрического тока на текущем изображении, тогда как фоновый ток (~10 пА) соответствует плоской кремниевой подложке.

Кривые CV и подхода Cu2O НП

На рисунке 11A показаны пять репрезентативных кривых CV наконечника AFM-SECM с наконечником на расстояние около 1 мм от подложки в 10 мМ [Ru(NH3)6]3+ и 0,1 M KCl. Ток диффузионного наконечника (~1,2 нА) со временем не уменьшался. На рисунке 11A показана кривая CV со скоростью сканирования как 50 мВ с−1,что подтверждает потенциал смещения -0,4 В против Ag/AgCl, приведший к максимальному плато кончика тока из-за реакции восстановления [Ru(NH3)6]3+.

На рисунке 11B показаны изменения тока наконечника по мере движения наконечника к поверхности образца. Наконечник AFM-SECM приближался к поверхности подложки в направлении Z, пока не достиг заданного значения (5 нН в этой работе), которое указывает на физический контакт наконечника с подложкой или изгиб в результате контакта62,63. Ток на графиках был нормализован до i0 (i0= 3,385 нА), который определяется как ток наконечника, измеренный, когда наконечник находится на 1 мкм над поверхностью образца. Наконечник был смещен на −0,4 В против Ag/AgCl в электролите, содержащем 10 мМ [Ru(NH3)6]3+и 0,1 М KCl. Нормализованный ток наконечника увеличивался с уменьшением расстояния между наконечником и образцом. При <8 нм наконечник контактировал с поверхностью наночастиц, и нормализованный ток наконечника резко увеличивался, вероятно, потому, что отрицательно заряженная поверхность Si приводила к увеличению локальной концентрации [Ru(NH3)6]3+ вблизи поверхности.

Figure 1
Рисунок 1: Осаждение наночастицCu2O на кремниевую пластину. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Схема системы AFM-SECM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Процедура установки патрона SECM и других аксессуаров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Процедура сборки образца ячейки ЕС. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Пакет услуг по полевым услугам ESD.
(A)Части защитных частей от ESD; (B) Соединения монитора ESD, ремешка на запястье и провода заземления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Процедура крепления защитного ботинка к держателю зонда. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Загрузка зонда SECM в держатель зонда. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8: Зонд SECM.
(A)Прикрепите к сканеру узел держателя-держателя-багажника; (B)Подключение зонда к модулю, высвобождаемого при деформации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 9
Рисунок 9: Одновременно полученные топографические (A) и кончиковые (B) изображения кислородных НБ в электролите, содержащем 10мМ[Ru(NH3)6]3+и 0,1 М KCl.
Наконечник (радиус конца наконечника 25 нм) был смещен при -0,4 В. (C) Схематическая иллюстрация измерения AFM-SECM НБ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 10
Рисунок 10: Одновременно полученные топографические (A) и кончиковые (B) изображения наночастиц Cu2O в электролите, содержащем 10 мМ [Ru(NH3)6]3+и 0,1 М KCl.
Наконечник (радиус конца наконечника 25 нм) был смещен на -0,4 В (C) Схематическая иллюстрация измерения AFM-SECM НП. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 11
Рисунок 11: Кривые CV и подхода Cu2O NPs.
(A) Пять CV-сканирований в 10 мМ [Ru(NH3)6]3+и 0,1 М KCl. (B) Кривые приближения наноэлектродного зонда на поверхности наночастиц Cu2O. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

реакция E0 / В концентрация Прикладной потенциал Ссылка
2H+ + 2e− Icon 1 H2 0
[Ру(NH3)6] 3+ + e− Icon 1 [Ру(NH3)6]2+ 0,10 (ННЭ) 10 мМ −0,4 В (Ag/AgCl) 1
2NO2− + 3H2O + 4e− N Icon 1 2O+ 6OH− 0,15 (NHE) 0.1 млн +0,95 В (Ag/AgCl) 2
[Fe(CN)6] 3− + e− Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0,358 (NHE) 2 ~ 5 мМ +0,0 ~ 0,5 В (Ag / AgCl) 3
ClO4− + H2O + 2e− Icon 1 ClO3−+ 2OH− 0,36 (NHE) 0,1 ~ 1 м +0,30 В (SCE) 4
[ИрКл6] 3− + 3e− Icon 1 Ir + 6Cl− 0,77 (NHE) 10 мМ +1,0 В (Ag/AgCl) 5
SO42− + H2O + 2e− SO Icon 1 32−+ 2OH− -0,93 (НХЭ) 10 мМ -0,45 В (Ag/AgCl) 6
AgCl + e− Icon 1 Ag + Cl− 0,22233 (NHE)
Ссылки:
1. Цзян И др. Наноэлектрическая и наноэлектрохимическая визуализация электродов Pt/p-Si и Pt/p+-Si. ХимСусХим. 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. Мониторинг in situ ямы и роста в пассивном оксидном слое железа с использованием комбинированной атомной силы и сканирующей электрохимической микроскопии. ЧемЭлектроХим. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. Jones, C. E., Unwin, P. R. & Macpherson, J. V. Наблюдение in situ поверхностных процессов, участвующих в растворении с поверхности расщепления кальцита в водном растворе с использованием комбинированной сканирующей электрохимическо-атомно-силовой микроскопии (SECM-AFM). ХимФисХим. 4 (2), 139-146, (2003).
4. Anne, A., Cambril, E., Chovin, A., Demaille, C. & Goyer, C. Электрохимическая атомно-силовая микроскопия с использованием окислительно-восстановительного медиатора для топографической и функциональной визуализации наносистем. САУ нано. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. Macpherson, J. V., Jones, C. E., Barker, A. L. & Unwin, P. R. Электрохимическая визуализация диффузии через одиночные наноразмерные поры. Аналитическая химия. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. Исследование in situ коррозии меди в растворе кислых хлоридов с использованием атомной силы — сканирующая электрохимическая микроскопия. Электрохимика Акта. 247 588-599, (2017).

Таблица 1: Примеры окислительно-восстановительных медиаторов, используемых в литературе.

Рисунок S1: Фотография, показывающая соединение между бипотенциостатом и контроллером AFM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S2: Загрузка рабочего пространства PeakForce SECM в программное обеспечение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S3: Панель навигации для рабочего пространства SECM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S4: Потенциал разомкнутой цепи – Время. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S5: Циклическая вольтамометрия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S6: Настройка параметров для измерения циклической вольтаметрии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S7: Параметры измерения хроноамперометрии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S8: Запуск текущего считывания в программном обеспечении AFM-SECM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Рисунок S9: Параметры амперометрической методики i-t. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот рисунок.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этом протоколе описан комбинированный метод AFM-SECM, который обеспечивает мультимодальную визуализацию с высоким разрешением. Этот метод позволяет сопоставить топографию одновременно с током SECM, собранным или нанесенным на карту на отдельных наночастицах или нанопузырьке. Эксперименты проводились с использованием коммерческих зондов. Эти зонды были разработаны для обеспечения химической совместимости с широким спектром электрохимических сред, электрохимических характеристик, механической стабильности и многоцикловойобработки18. Однако стабильность и долговечность датчиков AFM-SECM имеют решающее значение для измерения электрохимической информации с надежным и высоким разрешением. В результате шаги, упомянутые в шагах 3.2 и 3.7, имеют решающее значение для защиты наконечника AFM-SECM от разрушения электростатическим разрядом. Также подробно описано обсуждение, связанное с конкретными этапами протокола.

На этапе 3.4.5 в представленном испытаниииспользовалось 10 мМ [Ru(NH3)6]3+ с поддерживающим электролитом 0,1 МКл. 5-10 мМ является широко используемой концентрацией [Ru(NH3)6]3+ в литературе для получения хороших токовых сигналов30. Другие примеры часто используемых окислительно-восстановительных медиаторов в измерениях AFM-SECM обобщены в обсуждении(таблица 1).

На этапе 3.4.6 качество и стабильность электродов подтверждаются с помощью измерения OCP. Если потенциал, измеренный в OCP, не близок к нулю или нестабилен, то необходимо проверить счетчик и псевдоотсчетные электроды. Возможными причинами нестабильного OCP могут быть прикрепление пузырьков на электродах или электродах, не погруженных в жидкость.

На этапе 3.4.8 упомянутый здесь потенциальный диапазон "Высокий E" и "Низкий E" может составлять +0,3 В или −0,3 В "init E/Final E", что является безопасным выбором для начала теста CV. Затем потенциальный диапазон может быть скорректирован на основе потенциального значения, которое привело к плато тока в кривой CV. Скорость сканирования может варьироваться от 0,01 В/с до 0,1 В/с. Более высокая скорость сканирования объясняет более высокую чувствительность, но зарядный ток также увеличится. Также при высоких показателях сканирования на вольтаммограммах представлены искаженные формы64. Следует выбрать более высокое значение чувствительности до тех пор, пока CV-тест не покажет «переполнение». Если показало сообщение о переполнении, то чувствительность следует уменьшить.

На этапе 3.5.2 для визуализации процесс визуализации AFM-SECM выполняли с использованием режима сканирования подъема с высотой подъема обычно 40-150 нм. Если была выбрана более низкая высота подъема, то может возникнуть вероятность падения наконечника на поверхность образца. Если высота подъема была слишком высокой, то это может снизить текущее разрешение изображения, поскольку наконечник находится далеко от поверхности образца.

На этапе 3.5.3 в представленном протоколе измерений для выполнения сокращения [Ru(NH3)6]3+было выбрано -0,4 В по сравнению с Ag/AgCl(-0,18В по сравнению с NHE). Зонд может уменьшить [Ru(NH3) 6]3+ до [Ru(NH3) 6]2+при-0,35 до -0,5 В против проволочного псевдоотсчетного электрода Ag, в то время как образец может быть смещен на 0--0,1 В для регенерации[Ru(NH3)6]3+. Это значение зависит от тока плато, измеренного при сканировании CV. Он также будет варьироваться в зависимости от различных окислительно-восстановительных медиаторов, как показано в таблице 1.

Также методика хроноамперометрии была выбрана из-за отсутствия амперометрической методики i-t в представленном бипотенциостате. Если у читателей есть би-потенциостат, поддерживающий амперометрическую технику i-t, они могут установить технику i-t, как показано на рисунке S9. Время выполнения было выбрано как 2000 секунд, чтобы убедиться, что его достаточно для хотя бы одного текущего процесса обработки изображений в AFM-SECM.

Кроме того, подготовка образцов также очень важна, поскольку твердые частицы должны быть полностью иммобилизованы на подложке, чтобы частицы не отделялись во время процесса визуализации. Кроме того, для сканирования или зондирования электрохимических или электрических свойств поверхностей образцов (например, электродов) связывание между образцами и подложками должно обеспечивать электропроводность. Методы пробоподготовки должны быть полезными и применимыми к широкому кругу применений, особенно для характеристик нанообъектов; однако методы иммобилизации образцов могут варьироваться в зависимости от конкретных образцов65,66. В целом, мы продемонстрировали, что AFM-SECM позволяет получать изображения с высоким разрешением кислородных НБ и наночастиц Cu2O. Очевидно, что этот протокол AFM-SECM, как ожидается, будет играть важную роль в межфазном электрохимическом анализе и будет иметь широкое применение в различных областях исследований, таких как материаловедение, химия и науки о жизни1,19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа финансируется Национальным научным фондом (номер награды: 1756444) через биологические и экологические интерфейсы наноматериалов, Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, проект AFRI [2018-07549] и Соглашение о помощи No 83945101-0, присужденное Агентством по охране окружающей среды США Технологическому институту Нью-Джерси. Он не был официально рассмотрен АООС. Мнения, выраженные в настоящем документе, являются исключительно мнениями авторов и не обязательно отражают мнения Агентства. EPA не поддерживает какие-либо продукты или коммерческие услуги, упомянутые в этой публикации. Авторы также благодарят Программу исследований и инноваций бакалавриата (URI) Фаза-1 и Фаза-2 в Технологическом институте Нью-Джерси.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Atomic force microsopy Bruker, CA Dimenison Icon
Bipotentiostat CH Instruments, Inc. CHI 700E
Materials
Silicon wafer TED PELLA, Inc. 16013
Fresh gold plates Bruker, CA model 119-017-307
PF-SECM-AFM probes Bruker, CA 990-050138
PF-SECM strain-release module Bruker, CA 840-012-724
PF-SECM Probe Holder Bruker, CA 900-050121
PF-SECM Chuck Bruker, CA PF-SECM Chuck
PF-SECM O-ring Bruker, CA 598-000-106
PF-SECM cover glass, SECM Cell Bruker, CA 900-050137
EC Cell Assy Bruker, CA 932-017-300
ESD Field Service Bruker, CA 490-000-066
PF-SECM Boot Bruker, CA 900-050136
Spring connector block Bruker, CA 900-050524
PFSECM Tweezers Bruker, CA
Cable, SECM Tip module Bruker, CA 468-050171
Ag wire Bruker, CA 249-000-056
Pt wire Bruker, CA 248-000-004
Hard sharp wire Bruker, CA TT-ECM10
Tubular ceramic membrane Refracton WFA0.1
Chemicals
Copper(II) chloride dihydrate ACROS Organics AC315281000
Sodium Hydroxide Fisher Chemical S318-100
Ascorbic Acid Fisher Chemical A61-25
Epoxy Loctite Instant Mix
Potassium Chloride Fisher Chemical P217-500
Hexaammineruthenium(III) chloride ACROS Organics AC363342500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shi, X., Qing, W., Marhaba, T., Zhang, W. Atomic Force Microscopy-Scanning Electrochemical Microscopy (AFM-SECM) for Nanoscale Topographical and Electrochemical Characterization: Principles, Applications and Perspectives. Electrochimica Acta. , 135472 (2019).
  2. Aazam, E. S., Ghoneim, M. M., El-Attar, M. A. Synthesis, characterization, electrochemical behavior, and biological activity of bisazomethine dye derived from 2, 3-diaminomaleonitrile and 2-hydroxy-1-naphthaldehyde and its zinc complex. Journal of Coordination Chemistry. 64 (14), 2506-2520 (2011).
  3. Shukla, A., Sampath, S., Vijayamohanan, K. Electrochemical supercapacitors: Energy storage beyond batteries. Current science. 79 (12), 1656-1661 (2000).
  4. Kötz, R., Carlen, M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2483-2498 (2000).
  5. Botte, G. G. Electrochemical manufacturing in the chemical industry. The Electrochemical Society Interface. 23 (3), 49-55 (2014).
  6. Kongsricharoern, N., Polprasert, C. Electrochemical precipitation of chromium (Cr6+) from an electroplating wastewater. Water Science and Technology. 31 (9), 109-117 (1995).
  7. Datta, M., Landolt, D. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2535-2558 (2000).
  8. Wang, S., George, K., Nesic, S. High pressure CO2 corrosion electrochemistry and the effect of acetic acid. Corrosion/2004. 4375, paper (2004).
  9. Song, G. L. Corrosion of Magnesium alloys. , Elsevier. 3-65 (2011).
  10. Bellezze, T., Giuliani, G., Viceré, A., Roventi, G. Study of stainless steels corrosion in a strong acid mixture. Part 2: anodic selective dissolution, weight loss and electrochemical impedance spectroscopy tests. Corrosion Science. 130, 12-21 (2018).
  11. Ehsani, A., et al. Evaluation of Thymus vulgaris plant extract as an eco-friendly corrosion inhibitor for stainless steel 304 in acidic solution by means of electrochemical impedance spectroscopy, electrochemical noise analysis and density functional theory. Journal of Colloid and Interface Science. 490, 444-451 (2017).
  12. Cui, Z. H., Guo, X. X., Li, H. Equilibrium voltage and overpotential variation of nonaqueous Li-O2 batteries using the galvanostatic intermittent titration technique. Energy & Environmental Science. 8 (1), 182-187 (2015).
  13. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  14. Amemiya, S., Bard, A. J., Fan, F. R. F., Mirkin, M. V., Unwin, P. R. Scanning Electrochemical Microscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 95-131 (2008).
  15. Mirkin, M. V., Nogala, W., Velmurugan, J., Wang, Y. Scanning electrochemical microscopy in the 21st century. Update 1: five years after. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (48), 21196-21212 (2011).
  16. Bard, A. J., Fan, F. R. F., Kwak, J., Lev, O. Scanning electrochemical microscopy. Introduction and principles. Analytical Chemistry. 61 (2), 132-138 (1989).
  17. Engstrom, R. C., Pharr, C. M. Scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 61 (19), 1099-1104 (1989).
  18. Nellist, M. R., et al. Atomic force microscopy with nanoelectrode tips for high resolution electrochemical, nanoadhesion and nanoelectrical imaging. Nanotechnology. 28 (9), 095711 (2017).
  19. Patel, A. N., Kranz, C. (Multi) functional atomic force microscopy imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 11, 329-350 (2018).
  20. Ufheil, J., Heß, C., Borgwarth, K., Heinze, J. Nanostructuring and nanoanalysis by scanning electrochemical microscopy (SECM). Physical Chemistry Chemical Physics. 7 (17), 3185-3190 (2005).
  21. Bergner, S., Wegener, J., Matysik, F. M. Simultaneous imaging and chemical attack of a single living cell within a confluent cell monolayer by means of scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 83 (1), 169-174 (2011).
  22. Hu, K., et al. Platinized carbon nanoelectrodes as potentiometric and amperometric SECM probes. Journal of Solid State Electrochemistry. 17 (12), 2971-2977 (2013).
  23. Kranz, C. Recent advancements in nanoelectrodes and nanopipettes used in combined scanning electrochemical microscopy techniques. Analyst. 139 (2), 336-352 (2014).
  24. Morris, C. A., Chen, C. C., Baker, L. A. Transport of redox probes through single pores measured by scanning electrochemical-scanning ion conductance microscopy (SECM-SICM). Analyst. 137 (13), 2933-2938 (2012).
  25. Ludwig, M., Kranz, C., Schuhmann, W., Gaub, H. E. Topography feedback mechanism for the scanning electrochemical microscope based on hydrodynamic forces between tip and sample. Review of Scientific Instruments. 66 (4), 2857-2860 (1995).
  26. Eckhard, K., Schuhmann, W. Alternating current techniques in scanning electrochemical microscopy (AC-SECM). Analyst. 133 (11), 1486-1497 (2008).
  27. Macpherson, J. V., Unwin, P. R., Hillier, A. C., Bard, A. J. In-situ imaging of ionic crystal dissolution using an integrated electrochemical/AFM probe. Journal of the American Chemical Society. 118 (27), 6445-6452 (1996).
  28. Huang, K., Anne, A., Bahri, M. A., Demaille, C. Probing Individual Redox PEGylated Gold Nanoparticles by Electrochemical-Atomic Force Microscopy. ACS Nano. 7 (5), 4151-4163 (2013).
  29. Chennit, K., et al. Electrochemical Imaging of Dense Molecular Nanoarrays. Analytical Chemistry. 89 (20), 11061-11069 (2017).
  30. Jiang, J., et al. Nanoelectrical and Nanoelectrochemical Imaging of Pt/p-Si and Pt/p+-Si Electrodes. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663 (2017).
  31. Knittel, P., Mizaikoff, B., Kranz, C. Simultaneous nanomechanical and electrochemical mapping: combining peak force tapping atomic force microscopy with scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 88 (12), 6174-6178 (2016).
  32. Quist, A. P., et al. Atomic force microscopy imaging and electrical recording of lipid bilayers supported over microfabricated silicon chip nanopores: Lab-on-a-chip system for lipid membranes and ion channels. Langmuir. 23 (3), 1375-1380 (2007).
  33. Cohen, H., et al. Electrical characterization of self-assembled single- and double-stranded DNA monolayers using conductive AFM. Faraday Discussions. 131 (0), 367-376 (2006).
  34. Chung, J. W., et al. Single-crystalline organic nanowires with large mobility and strong fluorescence emission: a conductive-AFM and space-charge-limited-current study. Journal of Materials Chemistry. 19 (33), 5920-5925 (2009).
  35. Guo, D. Z., Hou, S. M., Zhang, G. M., Xue, Z. Q. Conductance fluctuation and degeneracy in nanocontact between a conductive AFM tip and a granular surface under small-load conditions. Applied Surface Science. 252 (14), 5149-5157 (2006).
  36. Rocca, E., Bertrand, G., Rapin, C., Labrune, J. C. Inhibition of copper aqueous corrosion by non-toxic linear sodium heptanoate: mechanism and ECAFM study. Journal of Electroanalytical Chemistry. 503 (1), 133-140 (2001).
  37. Toma, F. M., et al. Mechanistic insights into chemical and photochemical transformations of bismuth vanadate photoanodes. Nature Communications. 7, 12012 (2016).
  38. Kouzeki, T., Tatezono, S., Yanagi, H. Electrochromism of Orientation-Controlled Naphthalocyanine Thin Films. The Journal of Physical Chemistry. 100 (51), 20097-20102 (1996).
  39. Yamaguchi, Y., Shiota, M., Nakayama, Y., Hirai, N., Hara, S. Combined in situ EC-AFM and CV measurement study on lead electrode for lead-acid batteries. Journal of Power Sources. 93 (1), 104-111 (2001).
  40. Comstock, D. J., Elam, J. W., Pellin, M. J., Hersam, M. C. Integrated Ultramicroelectrode-Nanopipet Probe for Concurrent Scanning Electrochemical Microscopy and Scanning Ion Conductance Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (4), 1270-1276 (2010).
  41. Ebejer, N., Schnippering, M., Colburn, A. W., Edwards, M. A., Unwin, P. R. Localized High Resolution Electrochemistry and Multifunctional Imaging: Scanning Electrochemical Cell Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (22), 9141-9145 (2010).
  42. Ebejer, N., et al. Scanning Electrochemical Cell Microscopy: A Versatile Technique for Nanoscale Electrochemistry and Functional Imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 329-351 (2013).
  43. Alheshibri, M., Qian, J., Jehannin, M., Craig, V. S. A history of nanobubbles. Langmuir. 32 (43), 11086-11100 (2016).
  44. Liu, G., Wu, Z., Craig, V. S. Cleaning of protein-coated surfaces using nanobubbles: an investigation using a quartz crystal microbalance. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (43), 16748-16753 (2008).
  45. Ghadimkhani, A., Zhang, W., Marhaba, T. Ceramic membrane defouling (cleaning) by air Nano Bubbles. Chemosphere. 146, 379-384 (2016).
  46. Uchida, T., et al. Transmission electron microscopic observations of nanobubbles and their capture of impurities in wastewater. Nanoscale Research Letters. 6 (1), 1 (2011).
  47. Ushikubo, F. Y., et al. Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 361 (1-3), 31-37 (2010).
  48. Bowley, W. W., Hammond, G. L. Controlling factors for oxygen transfer through bubbles. Industrial, Engineering Chemistry Process Design and Development. 17 (1), 2-8 (1978).
  49. Li, P., Takahashi, M., Chiba, K. Enhanced free-radical generation by shrinking microbubbles using a copper catalyst. Chemosphere. 77 (8), 1157-1160 (2009).
  50. Takahashi, M., et al. Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (10), 2171-2173 (2003).
  51. Takahashi, M., Chiba, K., Li, P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. The Journal of Physical Chemistry B. 111 (6), 1343-1347 (2007).
  52. Ahmed, A. K. A., et al. Influences of air, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide nanobubbles on seed germination and plant growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (20), 5117-5124 (2018).
  53. Zhang, D. F., et al. Delicate control of crystallographic facet-oriented Cu 2 O nanocrystals and the correlated adsorption ability. Journal of Materials Chemistry. 19 (29), 5220-5225 (2009).
  54. Khaled Abdella Ahmed, A., et al. Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science. , (2017).
  55. Huang, Z., et al. PeakForce scanning electrochemical microscopy with nanoelectrode probes. Microscopy Today. 24 (6), 18-25 (2016).
  56. Lou, S. T., et al. Nanobubbles on solid surface imaged by atomic force microscopy. Journal of Vacuum Science, Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 18 (5), 2573-2575 (2000).
  57. Borkent, B. M., Dammer, S. M., Schönherr, H., Vancso, G. J., Lohse, D. Superstability of surface nanobubbles. Physical Review Letters. 98 (20), 204502 (2007).
  58. Agarwal, A., Ng, W. J., Liu, Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere. 84 (9), 1175-1180 (2011).
  59. Tasaki, T., Wada, T., Baba, Y., Kukizaki, M. Degradation of surfactants by an integrated nanobubbles/VUV irradiation technique. Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (9), 4237-4244 (2009).
  60. Fujita, D., Itoh, H., Ichimura, S., Kurosawa, T. Global standardization of scanning probe microscopy. Nanotechnology. 18 (8), 084002 (2007).
  61. Häßler-Grohne, W., Hüser, D., Johnsen, K. P., Frase, C. G., Bosse, H. Current limitations of SEM and AFM metrology for the characterization of 3D nanostructures. Measurement Science and Technology. 22 (9), 094003 (2011).
  62. Sakai, K. Measurement Techniques and Practices of Colloid and Interface Phenomena. , Springer. 51-57 (2019).
  63. Gan, T., Wu, B., Zhou, X., Zhang, G. Ultrahigh resolution, serial fabrication of three dimensionally-patterned protein nanostructures by liquid-mediated non-contact scanning probe lithography. RSC Advances. 6 (55), 50331-50335 (2016).
  64. Arteaga, J. F., et al. Comparison of the simple cyclic voltammetry (CV) and DPPH assays for the determination of antioxidant capacity of active principles. Molecules. 17 (5), 5126-5138 (2012).
  65. Moreno-Herrero, F., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. Atomic force microscopy contact, tapping, and jumping modes for imaging biological samples in liquids. Physical Review E. 69 (3), 031915 (2004).
  66. Doktycz, M., et al. AFM imaging of bacteria in liquid media immobilized on gelatin coated mica surfaces. Ultramicroscopy. 97 (1-4), 209-216 (2003).

Tags

Втягивание выпуск 168 Электрохимическая активность AFM-SECM сканирующий электрохимический микроскоп атомно-силовой микроскоп характеристика наноматериалов
Зондирование поверхностной электрохимической активности наноматериалов с помощью гибридного атомно-силового микроскопа-сканирующего электрохимического микроскопа (AFM-SECM)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, … More

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, W. Probing Surface Electrochemical Activity of Nanomaterials using a Hybrid Atomic Force Microscope-Scanning Electrochemical Microscope (AFM-SECM). J. Vis. Exp. (168), e61111, doi:10.3791/61111 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter