Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Sondering Overflade elektrokemisk aktivitet af nanomaterialer ved hjælp af en Hybrid Atomic Force Mikroskop-Scanning elektrokemiske mikroskop (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

Atomkraftmikroskopi (AFM) kombineret med scanning af elektrokemisk mikroskopi (SECM), nemlig AFM-SECM, kan bruges til samtidig at erhverve topografiske og elektrokemiske oplysninger i høj opløsning på materialeoverflader på nanoskala. Sådanne oplysninger er afgørende for at forstå heterogene egenskaber (f.eks. reaktivitet, defekter og reaktionssteder) på lokale overflader af nanomaterialer, elektroder og biomaterialer.

Abstract

Scanning af elektrokemisk mikroskopi (SECM) bruges til at måle den lokale elektrokemiske adfærd af flydende / faste, flydende / gas og flydende / flydende grænseflader. Atomkraftmikroskopi (AFM) er et alsidigt værktøj til at karakterisere mikro- og nanostruktur med hensyn til topografi og mekaniske egenskaber. Konventionelle SECM eller AFM giver imidlertid begrænsede sideløste oplysninger om elektriske eller elektrokemiske egenskaber ved nanoskala. For eksempel er aktiviteten af en nanomaterialeoverflade på krystalfacetniveauer vanskelig at løse ved hjælp af konventionelle elektrokemimetoder. Dette papir rapporterer anvendelsen af en kombination af AFM og SECM, nemlig AFM-SECM, til sonde nanoskala overflade elektrokemiske aktivitet, mens erhverve høj opløsning topografiske data. Sådanne målinger er afgørende for at forstå forholdet mellem nanostruktur og reaktionsaktivitet, som er relevant for en lang række anvendelser inden for materialevidenskab, life science og kemiske processer. Alsidigheden af den kombinerede AFM-SECM demonstreres ved at kortlægge topografiske og elektrokemiske egenskaber af henholdsvis facetterede nanopartikler (NPs) og nanobubbles (NBs). Sammenlignet med tidligere rapporterede SECM-billeddannelser af nanostrukturer muliggør denne AFM-SECM kvantitativ vurdering af lokal overfladeaktivitet eller reaktivitet med højere opløsning af overfladekortlægning.

Introduction

Karakterisering af elektrokemisk (EF) adfærd kan give kritisk indsigt i kinetik og mekanismer af interfaciale reaktioner inden for forskellige områder, såsom biologi1,2, energi3,4, materialesyntese5,6,7og kemisk proces8,9. Traditionelle EF-målinger, herunder elektrokemisk impedansspektroskopi10, elektrokemiske støjmetoder11, galvanostatisk intermitterende titrering12og cyklisk voltammetri13 udføres normalt i makroskopisk skala og giver en overfladegennemsnitsrespons. Det er således vanskeligt at udtrække oplysninger om, hvordan elektrokemisk aktivitet fordeles over en overflade, men lokale overfladeegenskaber i nanoskala er særligt vigtige, hvor nanomaterialer anvendes i vid udstrækning. Derfor er nye teknikker, der samtidig kan opfange både nanoskala multidimensional information og elektrokemi, meget ønskelige.

Scanning af elektrokemisk mikroskopi (SECM) er en udbredt teknik til måling af materialers lokaliserede elektrokemiske aktivitet ved mikro- og nanoskalaer14. SECM bruger typisk et ultramikrobiktrode som en sonde til påvisning af elektroaktive kemiske arter, når det scanner en prøveoverflade for at løse lokale elektrokemiske egenskaber15. Den målte strøm ved sonden frembringes ved reduktion (eller oxidation) af mæglerarten, og denne strøm er en indikator for den elektrokemiske reaktivitet på prøvens overflade. SECM har udviklet sig betydeligt efter sin første start i 198916,17, men det er stadig udfordret af to hovedbegrænsninger. Da EF-signaler typisk er følsomme over for karakteristika for interaktion mellem spids og substrat, er en begrænsning af SECM, at det at holde sonden i konstant højde forhindrer en direkte korrelation mellem elektrokemisk aktivitet og overfladelandskabet på grund af sammenkædningen af topografi med de indsamlede EF-oplysninger18. For det andet er det vanskeligt for et kommercielt SECM-system at opnå submikrometer (μm) billedopløsning, da den rumlige opløsning delvis bestemmes af sondedimensionerne, som er på mikrometerskalaen19. Derfor anvendes nanoelektroder, elektroderne med en diameter i nanometerområdet i stigende grad i SECM for at opnå en opløsning under submikrometerskalaen20,21,22,23.

For at give en konstant tip-substrat afstandskontrol og opnå en højere rumlig elektrokemisk opløsning er der anvendt flere hybride teknikker til SECM, såsom ionledningsføringspositionering24, forskydningskraftpositionering25, vekselstrøm SECM26og atomkraftmikroskopi (AFM) positionering. Blandt disse instrumenter er SECM's integration af AFM-positionering (AFM-SECM) blevet en meget lovende tilgang. Da AFM kan levere faste spids-substrat afstande, den integrerede AFM-SECM teknik muliggør samtidig erhvervelse af nanoskala overflade strukturelle og elektrokemiske oplysninger gennem kortlægning eller prøve fejer med de skarpe AFM tips. Siden MacPherson og Unwins første vellykkede drift af AFM-SECM i 199627er der opnået betydelige forbedringer med hensyn til sondedesign og -fremstilling samt dets anvendelser inden for forskellige forskningsområder såsom elektrokemi i kemiske og biologiske processer. For eksempel er AFM-SECM blevet implementeret til billeddannelse af kompositmaterialeoverflader, såsom ædle metalnanopartikler28, funktionaliserede eller dimensionelt stabile elektroder29,30og elektroniske enheder31. AFM-SECM kan kortlægge de elektrokemisk aktive steder fra spidsen aktuelle billede.

Samtidige topografiske og elektrokemiske målinger kan også opnås ved hjælp af andre teknikker såsom ledende AFM32,33,34,35, elektrokemisk AFM (EC-AFM)36,37,38,39, scanning ionledningsføringsmikroskopi-scanning af elektrokemisk mikroskopi (SICM-SECM)24,40og scanning af elektrokemisk cellemikroskopi (SECCM)41,42 Sammenligningen mellem disse teknikker er blevet diskuteret i et gennemgangsdokument1. Formålet med dette arbejde var at anvende SECM-AFM til at demonstrere den elektrokemiske kortlægning og måling af facetterede krystallinske akvariske oxid nanomaterialer og nanobobler i vand. Facetterede nanomaterialer syntetiseres bredt for metaloxidkatalysatorer i rene energiapplikationer, fordi facetterne med karakteristiske krystallografiske træk har karakteristiske overfladeatomstrukturer og yderligere dominerer deres katalytiske egenskaber. Desuden målte og sammenlignede vi også den elektrokemiske adfærd ved væske-/gasgrænsefladerne for overflade nanobubbles (NBs) på guldsubstrater. NBs er bobler med en diameter på <1 μm (også kendt som ultrafine bobler)43, og de fremkalder mange spændende egenskaber44,45, herunder lange opholdstider i løsningerne46,47 og høj effektivitet af gasmasseoverførsel46,48. Desuden skaber sammenbruddet af NBs chokbølger og dannelsen af hydroxylradikaler (•OH)49,50,51,52. Vi målte den elektrokemiske reaktivitet af ilt-NBs i opløsningen for bedre at forstå NBs grundlæggende kemiske egenskaber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøveforberedelse

  1. Forberedelse af facetterede Cu2O nanopartikler og deposition på siliciumsubstrat
    1. 0,175 g CuCl2∙2H2O (99,9%) opløses til 100 ml deioniseret (DI) vand for at generere en vandig opløsning på 10 mM CuCl2.
    2. Der tilsættes 10,0 ml 2,0 M NaOH og 10 ml 0,6 M ascorbinsyre i CuCl 2-opløsningen.
    3. Opløsningen opvarmes i en rundbundskolbe på 250 mL under konstant omrøring i et 55 °C vandbad i 3 timer.
    4. Det resulterende bundfald opsamles ved centrifugering (5.000 x g i 15 minutter), efterfulgt af vask med DI-vand 3 gange og ethanol to gange for at fjerne de resterende uorganiske ioner og polymerer.
    5. Tør bundfald i vakuum ved 60 °C i 5 timerog 53.
    6. Brug den forberedte siliciumskiver som substrat til at deponere Cu2O nanopartikler som illustreret i figur 1A ved hjælp af epoxy for at sikre testen.
      Forsigtig: Siliciumskiver (Ø3" Siliciumskiver, type P/<111>) blev skåret i et enkelt stykke på 38 mm x 38 mm efterfulgt af vask med ethanol, methanol og DI-vand for at fjerne organiske og uorganiske forurenende stoffer.
    7. Der aflejres direkte 10 μL epoxy på den rensede siliciumskiver ved hjælp af en pipettespids og en flise med en ren glasrutsjebane. Efter ca. 5 min. skal der særskilt kastes 10 μL af nanopartiklerne/vandaffjedringen (10 mg L-1)på forskellige epoxybelagte siliciumskiver. De fire forskellige røde pletter, der er vist i figur 1B, angiver den potentielle position af de deponerede nanopartikler.
    8. Substratet støvsuges ved 40 °C i 6 timer.
    9. Prøvesubstratet anbringes i EF-prøvecellen (figur 4), der skal fyldes med 1,8 mL af en 0,1 M KCl, der indeholder 10 mM Ru(NH3)6Cl3(98%).
  2. Forberedelse af NBs
    1. Generer ilt nanobubbles ved direkte injektion af komprimeret ilt (renhed 99.999%) gennem en rørformet keramisk membran (100 nm porestørrelse, WFA0.1) i DI-vand.
      BEMÆRK: Gassen blev injiceret kontinuerligt under et tryk på 414 kPa og en strøm på 0,45 L·m-1, indtil den nåede stabil boblestørrelsesfordeling som rapporteret andetsteds54.
    2. Der tilsættes 1,8 mL vandsuspension af NBs på et guldsubstrat i EF-prøvecellen og stabiliseres i 10 min.
      BEMÆRK: Friske 40 mm x 40 mm guldplader (Au on Si) blev brugt som underlag til at immobilisere NBs.
    3. Dekant 0,9 ml NB-affjedring, og der erstattes med 0,9 ml af en 10 mM Ru(NH3)6Cl3 opløsning i 0,1 M KCl.

2. Opsætning af AFM-SECM

BEMÆRK: AFM blev anvendt i de præsenterede AFM-SECM-målinger. For at udføre EF-analyserne var AFM udstyret med et bipotentiostat- og SECM-tilbehør. Som vist i figur S1var bipotentiostat tilsluttet AFM-controlleren, og både potentiostat og AFM var tilsluttet den samme computer. Tilbehøret omfatter en SECM-spændepatron, en SECM-sondeholder med beskyttende støvle og et modul til udløsning af belastning med en modstandsvælger (der blev anvendt 10 MΩ-modstand) til at begrænse det maksimale strømflow55. Som vist i figur 2har AFM-SECM-sonderne en spidsradius på 25 nm og en spidshøjde på 215 nm. Prøven fungerede som en fungerende elektrode, der deler den samme pseudoreference ved hjælp af Ag-trådelektroden (25 mm diameter) og tællerelektroden på en Pt-ledning (25 mm i diameter). Sonden og prøven kan være forudindtaget på forskellige potentialer (vs Ag wire pseudo-reference elektrode) for at muliggøre forskellige redox reaktioner. I det præsenterede værk reducerer spidsen [Ru(NH3)6]3+ til [Ru(NH3)6]2+ ved -400 mV i forhold til en Ag wire pseudo-reference elektrode.

  1. Udskift den eksisterende prøvepatron med SECM-spændepatronen, og skru spændepatronen på plads ved hjælp af to M3 x 6 mm stikhovedhætteskruer og en 2,5 mm hexnøgle(Figur 3A).
  2. Tilslut temperaturstyringskablet til SECM-spændet, og tilslut SECM-kablerne med lav støj til fjederstikblokken (farve til farve) og skift blok(Figur 3B).
    BEMÆRK: Kontakten skal holdes på højre side under SECM-test.
  3. Installer strain-release modulet på AFM-scanneren, og tilslut det også til arbejdselektrodestikket på fjederstikblokken med forlængerkabel (Figur 3C).
  4. Saml EF-prøvecellen.
    1. Sæt indsatsen på den øverste ring (Figur 4A).
    2. Der samles to O-ringe på henholdsvis den nederste rille og den øverste rille på indsatsen (Figur 4B og Figur 4C).
    3. Sæt et glasdæksel på den øverste ringplade og stram derefter med fire skruer let og diagonalt(Figur 4D).
    4. Brug en hård skarp ledning med en diameter på 24 mm (Figur 4E) til at stikke to huller i O-ringen gennem to kanaler af plastdel på øverste ring(Figur 4F).
    5. Sæt Ag-ledning og Pt-ledning gennem hullet på O-ringen, og kurv Pt-ledningen til en cirkel i EF-prøvecellen som vist i figur 4G.
    6. For at forsegle EF-prøvecelleoverdelen skal du trykke den samlede EF-prøvecelle ned på EF-prøvecellebunden for at få O-ringen til at komme i fuld kontakt med glasdækslet (Figur 4H).
    7. Den øverste del af EF-prøvecellen vendes på hovedet, og prøveemnet (eller substratet) vendes nedad, således at de fjederbelastede stifter (pogostifter) rører prøveoverfladen som vist i figur 4I og figur 4J. Prøven skal dække O-ringen for at gøre EF-prøvecellebundsdelen forseglet.
    8. Sæt EF-prøvecellen på og stram diagonalt med højre længdeskrue (Figur 4K).

3. Drift af AFM-SECM

  1. Initialisering af AFM- og bipotentiostatinstrumenterne
    1. Dobbeltklik på de to softwareikoner for at initialisere AFM-systemet og kontrolgrænsefladen bipotentiostat.
  2. Indlæser SECM-sonde
    1. Forbered ESD-servicepakken, herunder antistatisk pad, elektrostatisk udledning (ESD) beskyttende sondestand, bærbare antistatiske handsker og håndledsrem(Figur 5A). Figur 5B viser forbindelsen mellem ESD-skærmen og håndledsremmen.
      BEMÆRK: ESD-skærmen bipper, når den røde pad er forbundet med jorden. Bippet stopper, når brugeren bærer håndledsremmen.
    2. For at forhindre AFM-scanneren i at blive udsat for væske skal du bruge en beskyttende støvle (Figur 6A) under AFM-SECM-test. Sæt sondeholderen på ESD-beskyttelsessondestanden (Figur 6B). Brug et par plastikcetter til at fastgøre beskyttelsesstøvlen til spidsholderen (Figur 6C). Juster derefter det lille snit i beskyttelsesstøvlen til hakket i sondeholderen som vist i Figur 6D.
    3. Åbn boksen med AFM-SECM-sonder (Figur 7A) ved hjælp af en tip-pincet (grøn farve) for at få fat i sonden fra begge sider af rillerne (Figur 7B). Mens du bruger disken gripper (sølv farve) til at holde sonden indehaveren på stativet, sætte sonden wiren i hullet i stativet, og derefter skubbe sonden ind i slot af sonden indehaveren (Figur 7C). Når sonden er inde i åbningen, skal du bruge den flade ende af pincet til at skubbe den ind. Sørg for, at sonden er helt i spidsen holderen (Figur 7D).
    4. Som vist i figur 8Askal hele sondeholderen (herunder holderen startes) fastgøres til scanneren.
    5. Brug Teflon tip pincet til at få fat i ledningen lige under kobber ringen og forbinde den til modulet (Figur 8B).
    6. Sæt scanneren tilbage til svalehale.
  3. Indlæser eksempelcellen
    1. Efter at prøven (eller substratet) er samlet i EF-prøvecellen, som er nævnt i punkt 2.4, anbringes EF-prøvecellen på secm-spændets centrale punkt og pseudoreferenceelektroden (Ag-tråden), og counterelectrode (Pt-ledningen) forbindes med fjederstikblokken (Figur 3). EF-prøvecellen er magnetisk fastgjort til spændepatronen.
  4. SECM software forberedelse før billedbehandling
    1. I AFM-SECM-softwaren skal du vælge SECM- PeakForce QNM for at indlæse arbejdsområdet (Figur S2).
    2. Indlæs SECM-sonden i opsætningen,og juster derefter en laser på spidsen ved hjælp af en justeringsstation.
    3. Gå til Navigation (Figur S3). Flyt scanneren langsomt nedad for at fokusere på prøveoverfladen. Ef-prøvecellens position justeres en smule for at sikre, at scanneren ikke rører glasdækslet på EF-prøvecellen, mens den bevæger sig. Når du har fokuseret på eksemplet, skal du klikke på Opdater blind engageringsposition.
      Advarsel: Forskellige prøver har forskellige højder, så det er nødvendigt at opdatere blindangriberpositionen efter udskiftning af en prøve.
    4. Klik på Flyt for at tilføje flydende placering.
    5. Der tilsættes ~1,8 ml bufferopløsningen til EF-prøvecellen for at sikre, at opløsningsniveauet er lavere end glasdækslet. Hvis vandstanden er over glasdækslet, kan vandet krybe til scanneren og forårsage en elektrisk kort og bryde scanneren. Vent i yderligere 5 minutter, og brug en pipette til at omrøre opløsningen for at fjerne bobler.
      BEMÆRK: Bufferopløsningen (10 mM [Ru(NH3)6]3+ med understøttende elektrolyt på 0,1 M KCl) skal opbevares konstant i køleskab efter tilberedning. Brug en sprøjte med filter (ikke større end 1 μm porestørrelse) til at filtrere opløsningen, før du bruger den.
    6. Klik på Flyt til blind engageringsposition. Spidsen flyttes tilbage til bufferløsningen. Juster laseren en smule for at sikre, at laseren er justeret på spidsen.
    7. Åbn CHI-software. Som vist i Figur S4skal du klikke på kommandoen Teknik på værktøjslinjen for at åbne techvælgeren og vælge Åbn kredsløbspotentiale – Tid. Brug standardindstillingen (Operationstid som 400 s) til OCP-måling, og kør OCP-målingen.
      BEMÆRK: Potentialet i OCP-testen skal være næsten nul stabilt.
    8. Klik på kommandoen Teknik igen, og kør Cyclic Voltammetry (CV)som vist i Figur S5 og Figur S6.
      BEMÆRK: Konfigurer parametrene som nedenfor. Indstil "oprydningssegmenter" til et større antal, hvis det er nødvendigt. "Init E/Final E" skal være som den samme som den potentielle værdi fra henholdsvis OCP-måling og "Høj E" og "Lav E" på +0,3 V eller −0,3 V i henholdsvis "init E/Final E". Her bruger vi 0 V som indledende og høj E og -0,4 V som Lav og Final E. Scanningshastigheden var 0,05 V/s, og følsomheden var 1 e-009. Kør CV-testen, den højeste strøm (i) målt her skal være 0,3-1,2 nA for 10 mM [Ru(NH3)6]3+.
  5. SECM-billedbehandling
    1. Gå tilbage til AFM-SECM-softwaren. Da spidsen allerede er i væsken, skal du klikke på Engager.
    2. Efter scanning skal du slå løftetilstand (Løft med sensor) til med en løftehøjde på 100 nm og justere løftehøjden baseret på prøvens ruhed.
    3. Kør et kronamperometri i CHI-software med de parametre, der er vist i Figur S7. Indstil den oprindelige E som -0,4 V, pulsbredden til 1000 sekunder (hvilket er det maksimale antal, der accepteres af systemet), og følsomheden det samme med CV-scanning.
      BEMÆRK: Kronamperometriteknikken blev valgt på grund af fraværet af amperometrisk i-t-teknik i den præsenterede bi-potentiostat.
    4. Når CHI-programmet kører, skal du gå tilbage til AFM-SECM-software, kontrollere realtidslæsningen på stripdiagrammet og klikke på Start (Figur S8). Aflæsningen vil blive opdateret i realtid. Derefter begynder både topografibilleddannelse og aktuel billedbehandlingsproces. Gem billeder i AFM-SECM-softwaren.
  6. Kontroller indflyvningskurve
    1. Spidsen aktiveres på prøve- eller substratområdet med en scanningsstørrelse på 1 μm.
    2. Kør Chronoamperometry som nævnt i 3.5.3.
    3. Gå tilbage til AFM-SECM Software , og vælg kommandoen Gå til rampe.
    4. Klik på Ramp. En tilgang kurve ville blive registreret i AFM-SECM software.
  7. Rengøring af tip
    1. Brug af EF-prøvecellen som en beholder med rent vand. Flyt spidsen ind og ud af væsken ved hjælp af blinde inddæmp funktioner i navigationspanelet. Skift rent vand tre gange. Efter denne tre-tiden rengøring, ved hjælp af rene klude til forsigtigt at fjerne resterende vand fra sonden indehaveren og sætte sonden tilbage i sonden boksen.
      Advarsel: Efter billeddannelse skal AFM-SECM-sonden rengøres omhyggeligt. Brug aldrig vand, der kommer ud af vaskeflasken, til at rengøre sonden, da den elektrostatiske ladning kan beskadige sonden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Topografi og aktuel billeddannelse af ONB'er af AFM-SECM

Tidligere undersøgelser, der karakteriserede NBs med AFM rapporterede kun topografibilleder for at afsløre størrelsen og fordelingen af NBs immobiliseret på et solidt substrat56,57. Forsøgene her afslørede både morfologiske og elektrokemiske oplysninger. Individuelle ilt nanobubbles (ONBs) kan tydeligt identificeres i figur 9, som giver topografi samt spidsen aktuelle kortlægning eller information. Spidsen strøm blev genereret af redox reaktion [Ru(NH3)6]3 +, der er reduceret til [Ru(NH3)6]2 + på spidsen under en bias potentiale på -0,4 V, som afbildet i figur 9C. En sammenligning af topografien og det aktuelle billede viser den gode sammenhæng mellem de nationale centralbankers placeringer og de aktuelle pletter. Dette resultat bekræfter, at ONB'er kan lette udbredelsen og masseoverførslen af [Ru(NH3)6]3+ fra bulkopløsningen til spidsområdet58 og resultere i en højere strøm (i forhold til substratets baggrundsstrøm på 6 pA), når AFM-SECM-spidsen scannes over NBs59.

Topografi og aktuel billeddannelse af Cu2OP'er af AFM-SECM

Topografien og de aktuelle billeder af Cu2O-nanopartikler er beskrevet i figur 10. Spidsstrømmen blev genereret på grund af den rødoxreaktion af [Ru(NH3)6]3+, som også reduceres ved spidsen med potentiale til -0,4 V, som vist i figur 10C. Nanopartikel er omkring 500-1000 nm i størrelse. Det præsenterede topografibillede blev behandlet med en1. ordrefladningsbehandling. Partikelstørrelsen bestemt af AFM kan sammenlignes med den, der opnås fra SEM-billedet. Længden eller bredden er lidt større end nanopartiklernes højde (ca. 500 nm) på grund af spidsens convolution-effekt, en velkendt artefakt i AFM-billedprocessen, der forårsager overvurdering af objektdimensionen ved en begrænset STØRRELSE AFM-tip60. I denne undersøgelse, som Cu2O nanopartikel har en skarp octahedron form, af AFM spidsen kan undlade at røre den stejle sidevæg og bund, og denne convolution effekt kan tegne sig for mange lateral udvidelse af overfladen61. Figur 10B angiver, at nanopartikel synlig i topografi billedet er forbundet med indlysende elektrisk strøm "spot" i det aktuelle billede, mens baggrunden nuværende (~ 10 pA) svarer til den flade silicium substrat.

CV- og tilgangskurver for CU2OP'er

Figur 11A viser fem repræsentative CV-kurver for AFM-SECM-spidsen med spidsen på ca. 1 mm væk fra substratet i 10 mM [Ru(NH3)6]3+ og 0,1 M KCl. Den diffusionsbegrænsede spidsstrøm (~1,2 nA) faldt ikke med tiden. Figur 11A viser CV-kurven med en scanningshastighed som 50 mV s−1, hvilket bekræfter biaspotentialet på -0,4 V vs Ag/AgCl førte til den maksimale plateauspidsstrøm på grund af reduktionsreaktionen af [Ru(NH3)6]3+.

Figur 11B viser ændringerne i spidsstrømmen, når spidsen bevæger sig mod prøveoverfladen. AFM-SECM spidsen nærmede sig substratets overflade i Z-retningen, indtil den nåede et sætpunkt (5 nN i dette arbejde), der angiver den fysiske spids-substratkontakt eller bøjning som følge af kontakten62,63. Strømmen på observationsområderne blev normaliseret til i0 (i0=3,385 nA), hvilket defineres som spidsstrømmen målt, når spidsen er 1 μm over prøveoverfladen. Spidsen var forudindtaget på −0,4 V vs Ag / AgCl i elektrolyt indeholdende 10 mM [Ru (NH3)6]3 +og 0,1 M KCl. Den normaliserede spidsstrøm steg med den faldende afstand mellem spids og prøve. Ved <8 nm var spidsen i kontakt med nanopartikeloverfladen, og den normaliserede spidsstrøm steg kraftigt, sandsynligvis fordi den negativt ladede Si-overflade ville resultere i en øget lokal koncentration på [Ru(NH3)6]3 + nær overfladen.

Figure 1
Figur 1: Deposition af Cu2O nanopartikler på en silicium wafer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Skematisk over AFM-SECM-systemet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Installationsprocedure for SECM-spændepatron og andet tilbehør. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Samlingsproceduren for EF-prøvecellen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Servicepakken til ESD-feltet.
(A)Dele af ESD-beskyttelsesdele (B) Tilslutninger af ESD-skærm, håndledsrem og jordledning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Fastgørelsesprocedure for beskyttelsesstøvlen på sondeholderen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Indlæsning af SECM-sonden på sondeholderen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: SECM-sonden.
(A) Fastgør sondeholderens boot-enhed til scanneren. (B) Tilslutning af sonde til stammen frigivet modul. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Samtidig erhvervede topografibilleder (A) og spidsstrøm (B) af oxygen-NBs i elektrolyt indeholdende 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl.
Spidsen (endespids radius er 25nm) var forudindtaget på -0,4 V. (C) Skematisk illustration af AFM-SECM-måling af NBs Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Samtidig erhvervede topografibilleder (A) og spidsstrøm (B) af Cu2O-nanopartikler i elektrolyt indeholdende 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl.
Spidsen (end tip radius er 25nm) var forudindtaget på -0,4 V (C) Skematisk illustration af AFM-SECM måling af NPs. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11: CV- og tilgangskurver for CU2OP'er.
(A) Fem CV-scanninger i 10 mM [Ru(NH3)6]3+og 0,1 M KCl. (B) Indflyvningskurver for nanoelektronidsonde på Cu2O nanopartikeloverflade. Klik her for at se en større version af dette tal.

reaktion E0 / V koncentration Anvendt potentiale Ref
2H+ + 2e− Icon 1 H2 0
[Ru(NH3)6] 3+ + e− Icon 1 [Ru(NH3)6]2+ 0.10 (NHE) 10 mM −0,4 V (Ag/AgCl) 1
2NO2− + 3H2O + 4e− N Icon 1 2O+ 6OH− 0,15 (NHE) 0,1 M +0,95 V (Ag/AgCl) 2
[Fe(KN)6] 3− + e− Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0,358 (NHE) 2~5 mM +0,0 ~ 0,5 V(Ag/AgCl) 3
ClO4− + H2O + 2e− Icon 1 CLO3−+ 2OH− 0,36 (NHE) 0,1~1 M +0,30 V(SCE) 4
[IrCl6] 3− + 3e− Icon 1 Ir + 6Cl− 0,77 (NHE) 10 mM +1,0 V(Ag/AgCl) 5
SO42− + H2O + 2e− SÅ Icon 1 32−+ 2OH− -0,93 (NHE) 10 mM -0,45 V (Ag/AgCl) 6
AgCl + e− Icon 1 Ag + Cl− 0,22233(NHE)
Referencer:
1. Jiang, J. et al. Nanoelektrisk og nanoelektrisk billeddannelse af Pt/p-Si og Pt/p+-Si elektroder. ChemsusChem. 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. &Souto, R.M. In situ overvågning af pit nukleation og vækst på et jern passivt oxidlag ved hjælp af kombineret atomkraft og scanning elektrokemiske mikroskopi. ChemelectroChem. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. Jones, C.E., Unwin, P.R. &Macpherson, J.V. In Situ Observation af overfladeprocesserne involveret i opløsning fra Calcite's kavalergangsoverflade i vandig opløsning ved hjælp af kombineret scanning elektrokemisk-atomkraftmikroskopi (SECM-AFM). ChemPhysChem. 4 (2), 139-146, (2003).
4. Anne, A., Cambril, E., Chovin, A., Demaille, C. &Goyer, C. Elektrokemisk atomkraftmikroskopi ved hjælp af en spidsmonteret redox-mægler til topografisk og funktionel billeddannelse af nanosystemer. ACS nano. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. Macpherson, J.V., Jones, C.E., Barker, A. L. &Unwin, P. R. Elektrokemisk billeddannelse af diffusion gennem enkelte nanoskala porer. analytisk kemi. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. &Souto, R.M. In situ-undersøgelse af kobberkorrosion i syreholdig chloridopløsning ved hjælp af atomkraft - scanning af elektrokemisk mikroskopi. Electrochimica Acta. 247 588-599, (2017).

Tabel 1: Eksempler på redox-mæglere, der anvendes i litteraturen.

Figur S1: Foto, der viser forbindelsen mellem bipotentiostat og AFM-controlleren. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S2: Indlæs PeakForce SECM-arbejdsområdet i softwaren. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S3: Navigationspanel til SECM-arbejdsområde. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S4: Kør åbent kredsløbspotentiale – tid. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S5: Kør Cyklisk Voltammetri. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S6: Parameterindstilling for cyklisk voltammetrimåling. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S7: Parametre for en Chronoamperometry-måling. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S8: Start den aktuelle læsning i AFM-SECM-software. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S9: Parametre for Amperometric i-t-teknikken. Klik her for at downloade dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En kombineret AFM-SECM-teknik, der muliggør multimodal billedbehandling med høj opløsning, er beskrevet i denne protokol. Denne teknik gør det muligt at kortlægge topografi samtidig med SECM-strømmen, der er indsamlet eller kortlagt på enkelte nanopartikler eller nanobubbles. Eksperimenter blev udført ved hjælp af kommercielle sonder. Disse sonder er designet til at give kemisk kompatibilitet med en bred vifte af elektrokemiske miljøer, elektrokemisk ydeevne, mekanisk stabilitet og flercyklushåndtering18. Afm-SECM-sondernes stabilitet og holdbarhed er imidlertid afgørende for målingen af de elektrokemiske oplysninger med pålidelig og høj opløsning. Som følge heraf er de trin, der er nævnt i trin 3.2 og 3.7, afgørende for at beskytte AFM-SECM-spidsen mod at ødelægge ved elektrostatisk udledning. Detaljeret diskussion i forbindelse med specifikke protokoltrin beskrives også.

I trin 3.4.5 blev der anvendt 10 mM [Ru(NH3)6]3+ med en understøttende elektrolyt på 0,1 M KCl i den fremlagte test. 5-10 mM er en almindeligt anvendt koncentration af [Ru(NH3)6]3+ i litteraturen for at opnå gode strømsignaler30. Flere eksempler på almindeligt anvendte redox-mæglere i AFM-SECM-målinger er sammenfattet i diskussionen (Tabel 1).

I trin 3.4.6 bekræftes elektrodernes kvalitet og stabilitet med OCP-målingen. Hvis det potentiale, der måles i OCP, ikke er nær nul eller ustabilt, skal tælleren og pseudoreferenceelektroderne kontrolleres. De mulige årsager til ustabil OCP kan være fastgørelse af bobler på elektroderne eller elektroderne, der ikke nedsænkes i væske.

I trin 3.4.8 kan det potentielle interval, der er nævnt her "High E" og "Low E", være +0,3 V eller −0,3 V af "init E/Final E" er et sikkert valg til at starte CV-testen. Derefter kunne det potentielle interval justeres baseret på den potentielle værdi, der førte til en plateaustrøm i CV-kurven. Scanningshastigheden kan variere mellem 0,01 V/s og 0,1 V/s. En højere scanningshastighed tilskriver en højere følsomhed, men opladningsstrømmen vil også stige. Også ved høje scanningshastigheder præsenterede voltammogrammer forvrængede former64. Der bør vælges en højere følsomhedsværdi, så længe CV-testen ikke viser "overløb". Hvis en "overløb" besked viste, så følsomheden bør reduceres.

I trin 3.5.2 blev AFM-SECM-billedprocessen til billedbehandling udført ved hjælp af en løftescanningstilstand med en løftehøjde, typisk 40-150 nm. Hvis der er valgt en lavere løftehøjde, kan der være mulighed for, at spidsen går ned på prøveoverfladen. Hvis løftehøjden var for høj, kan den reducere den aktuelle billedopløsning, da spidsen er langt væk fra prøveoverfladen.

I trin 3.5.3 i den præsenterede måleprotokol blev -0,4 V versus Ag/AgCl (-0,18 V versus NHE) valgt til at udføre reduktionen af [Ru(NH3)6]3+. Sonden kan reducere [Ru(NH3)6]3+ til [Ru(NH3)6]2+ ved -0,35 til -0,5 V vs Ag wire pseudo-reference elektrode, mens prøven måske partisk ved 0 til -0,1 V for [Ru(NH3)6]3 + regenerering. Denne værdi afhænger af plateaustrømmen målt i CV-scanningen. Det vil også variere med forskellige redox-mæglere som opsummeret i tabel 1.

Også kronamperometri teknik blev valgt på grund af fraværet af Amperometric i-t teknik i den præsenterede bi-potentiostat. Hvis læserne har en bi-potentiostat, der understøtter Amperometric i-t-teknikken, kan de indstille i-t-teknikken som vist i Figur S9. Operationstiden blev valgt som 2000 sekunder for at sikre, at den er nok til mindst én aktuel billedproces i AFM-SECM.

Desuden er prøveforberedelse også meget vigtig, da de faste partikler skal immobiliseres fuldstændigt på substratet, så partikler ikke løsnes under billeddannelsesprocessen. For at scanne eller undersøge prøveoverfladernes elektrokemiske eller elektriske egenskaber (f.eks. elektrode) skal bindingen mellem prøver og substrater desuden sikre den elektriske ledningsevne. Prøveforberedelsesmetoderne bør være nyttige og kunne henvises til en lang række anvendelser, især til karakterisering af nanoobjekter. Metoderne til immobilisering af prøver kan dog variere med specifikke prøver65,66. Samlet set har vi vist, at AFM-SECM muliggør høj opløsning billeddannelse af ilt NBs og Cu2O nanopartikler. Det er klart, at denne AFM-SECM-protokol forventes at spille vigtige roller i interfacial elektrokemisk analyse og vil have brede anvendelser inden for forskellige forskningsområder, såsom materialevidenskab, kemi og life science1,19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde er finansieret af Den Nationale Videnskabsfond (Award Number: 1756444) via Biological &Environmental Interfaces of Nano Materials, USDA National Institute of Food and Agriculture, AFRI-projektet [2018-07549] og bistandsaftale nr. 83945101-0 tildelt af U.S. Environmental Protection Agency til New Jersey Institute of Technology. Det er ikke blevet formelt gennemgået af EPA. De synspunkter, der kommer til udtryk i dette dokument, er udelukkende ophavsmændenes og afspejler ikke nødvendigvis agenturets synspunkter. EPA godkender ikke produkter eller kommercielle tjenester, der er nævnt i denne publikation. Forfatterne takker også Undergraduate Research and Innovation program (URI) Phase-1 &Phase-2 på New Jersey Institute of Technology.

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

Tilbagetrækning Problem 168 Elektrokemisk aktivitet AFM-SECM scanning af elektrokemisk mikroskop atomkraftmikroskop nanomaterialekarakterisering
Sondering Overflade elektrokemisk aktivitet af nanomaterialer ved hjælp af en Hybrid Atomic Force Mikroskop-Scanning elektrokemiske mikroskop (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