JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

تتبع الكيمياء الكهربائية على الجسيمات النانوية المفردة باستخدام مطيافية تشتت رامان المحسنة السطح والفحص المجهري

Published: May 12, 2023
doi:
10.3791/65486
, ,
1Department of Chemistry,University of Louisville

Summary

يصف البروتوكول كيفية مراقبة الأحداث الكهروكيميائية على الجسيمات النانوية المفردة باستخدام مطيافية وتصوير تشتت رامان المعزز بالسطح.

Abstract

تعد دراسة التفاعلات الكهروكيميائية على الجسيمات النانوية المفردة مهمة لفهم الأداء غير المتجانس للجسيمات النانوية الفردية. يظل هذا التباين النانوي مخفيا أثناء توصيف متوسط المجموعة للجسيمات النانوية. تم تطوير التقنيات الكهروكيميائية لقياس التيارات من الجسيمات النانوية المفردة ولكنها لا توفر معلومات حول بنية وهوية الجزيئات التي تخضع لتفاعلات على سطح القطب. يمكن للتقنيات البصرية مثل مجهر تشتت رامان المعزز بالسطح (SERS) والتحليل الطيفي اكتشاف الأحداث الكهروكيميائية على الجسيمات النانوية الفردية مع توفير معلومات في نفس الوقت عن الأنماط الاهتزازية لأنواع سطح القطب. في هذا البحث ، تم عرض بروتوكول لتتبع الأكسدة الكهروكيميائية لأزرق النيل (NB) على جسيمات Ag النانوية المفردة باستخدام الفحص المجهري والتحليل الطيفي SERS. أولا ، تم وصف بروتوكول مفصل لتصنيع الجسيمات النانوية Ag على فيلم Ag ناعم وشبه شفاف. يتم تشكيل وضع البلازمون ثنائي القطب المحاذي على طول المحور البصري بين جسيم نانوي Ag واحد وفيلم Ag. يقترن انبعاث SERS من NB المثبت بين الجسيمات النانوية والفيلم في وضع البلازمون ، ويتم جمع الانبعاث عالي الزاوية بواسطة هدف مجهري لتشكيل نمط انبعاث على شكل دونات. تسمح أنماط انبعاث SERS على شكل دونات بتحديد لا لبس فيه للجسيمات النانوية المفردة على الركيزة ، والتي يمكن من خلالها جمع أطياف SERS. في هذا العمل ، يتم توفير طريقة لاستخدام ركيزة SERS كقطب عمل في خلية كهروكيميائية متوافقة مع مجهر بصري مقلوب. أخيرا ، يتم عرض تتبع الأكسدة الكهروكيميائية لجزيئات NB على جسيم نانوي Ag فردي. يمكن تعديل الإعداد والبروتوكول الموصوف هنا لدراسة التفاعلات الكهروكيميائية المختلفة على الجسيمات النانوية الفردية.

Introduction

الكيمياء الكهربائية هي علم قياس مهم لدراسة نقل الشحنة ، وتخزين الشحنة ، والنقل الجماعي ، وما إلى ذلك ، مع تطبيقات في تخصصات متنوعة ، بما في ذلك علم الأحياء والكيمياء والفيزياء والهندسة1،2،3،4،5،6،7. تقليديا ، تتضمن الكيمياء الكهربائية قياسات على مجموعة – مجموعة كبيرة من الكيانات الفردية مثل الجزيئات والمجالات البلورية والجسيمات النانوية ومواقع السطح. ومع ذلك ، فإن فهم كيفية مساهمة هذه الكيانات الفردية في الاستجابات المتوسطة الجماعية هو المفتاح لطرح مفاهيم أساسية وميكانيكية جديدة في الكيمياء والمجالات ذات الصلة بسبب عدم تجانس أسطح الأقطاب الكهربائية في البيئات الكهروكيميائية المعقدة 8,9. على سبيل المثال ، كشف اختزال المجموعة عن إمكانات الاختزال / الأكسدة الخاصة بالموقع10 ، وتشكيل منتجات الحفز الوسيطةوالثانوية 11 ، وحركية التفاعل الخاصة بالموقع 12،13 ، وديناميكيات حامل الشحنة14،15. يعد تقليل متوسط المجموعة مهما بشكل خاص في تحسين فهمنا لما وراء الأنظمة النموذجية إلى الأنظمة التطبيقية ، مثل الخلايا البيولوجية والتحفيز الكهربائي والبطاريات ، حيث غالبا ما يوجد عدم تجانس واسع النطاق16،17،18،19،20،21،22.

في العقد الماضي أو نحو ذلك ، كان هناك ظهور لتقنيات لدراسة الكيمياء الكهربائية أحادية الكيان1،2،9،10،11،12. وقد وفرت هذه القياسات الكهروكيميائية القدرة على قياس التيارات الكهربائية والأيونية الصغيرة في العديد من الأنظمة وكشفت عن خصائص كيميائية وفيزيائية أساسية جديدة23،24،25،26،27،28. ومع ذلك ، لا توفر القياسات الكهروكيميائية معلومات حول هوية أو بنية الجزيئات أو المواد الوسيطة على سطح القطب29،30،31،32. تعد المعلومات الكيميائية في واجهة القطب والكهارل أساسية لفهم التفاعلات الكهروكيميائية. عادة ما يتم الحصول على المعرفة الكيميائية البينية عن طريق اقتران الكيمياء الكهربائية بالتحليل الطيفي31,32. التحليل الطيفي الاهتزازي ، مثل تشتت رامان ، مناسب تماما لتوفير معلومات كيميائية تكميلية حول نقل الشحنة والأحداث ذات الصلة في الأنظمة الكهروكيميائية التي تستخدم في الغالب ، على سبيل المثال لا الحصر ، المذيبات المائية30. إلى جانب الفحص المجهري ، يوفر مطيافية تشتت رامان دقة مكانية تصل إلى حد حيود الضوء33,34. ومع ذلك ، فإن الحيود يمثل قيدا ، لأن الجسيمات النانوية ومواقع السطح النشطة أصغر في الطول من حدود الحيود البصري ، مما يحول بالتالي دون دراسة الكيانات الفردية35.

ثبت أن تشتت رامان المعزز سطحيا (SERS) أداة قوية في دراسة الكيمياء البينية في التفاعلات الكهروكيميائية20،30،36،37،38. بالإضافة إلى توفير الأنماط الاهتزازية للجزيئات المتفاعلة وجزيئات المذيبات والمواد المضافة والكيمياء السطحية للأقطاب الكهربائية ، يوفر SERS إشارة موضعية على سطح المواد التي تدعم تذبذبات الإلكترون السطحي الجماعية ، والمعروفة باسم رنين البلازمون السطحي الموضعي. يؤدي إثارة رنين البلازمون إلى تركيز الإشعاع الكهرومغناطيسي على سطح المعدن ، وبالتالي زيادة كل من تدفق الضوء إلى وتشتت رامان من الممتزات السطحية. المعادن النبيلة ذات البنية النانوية مثل Ag و Au هي مواد بلازمونية شائعة الاستخدام لأنها تدعم رنين البلازمون للضوء المرئي ، وهو أمر مرغوب فيه للكشف عن الانبعاث باستخدام أجهزة مقترنة بالشحنة عالية الحساسية والكفاءة. على الرغم من أن أكبر التحسينات في SERS تأتي من مجاميع الجسيمات النانوية39,40 ، فقد تم تطوير ركيزة SERS جديدة تسمح بقياسات SERS من الجسيمات النانوية الفردية: ركيزة SERS ذات وضع الفجوة (الشكل 1)41,42. في ركائز SERS ذات وضع الفجوة ، يتم تصنيع مرآة معدنية ومغلفة بمادة تحليلية. بعد ذلك، تنتشر الجسيمات النانوية فوق الركيزة. عند تشعيعه بضوء الليزر المستقطب دائريا ، يتم إثارة رنين البلازمون ثنائي القطب الذي يتكون من اقتران الجسيمات النانوية والركيزة ، مما يتيح قياسات SERS على الجسيمات النانوية المفردة. يقترن انبعاث SERS برنين البلازمون ثنائي القطب43،44،45 ، والذي يتم توجيهه على طول المحور الأصلي. مع المحاذاة المتوازية لثنائي القطب الكهربائي المشع وبصريات التجميع ، يتم جمع الانبعاث عالي الزاوية فقط ، وبالتالي تشكيل أنماط انبعاث مميزة على شكل دونات46،47،48،49 والسماح بتحديد الجسيمات النانوية المفردة. تحتوي مجاميع الجسيمات النانوية على الركيزة على ثنائيات أقطاب مشعة ليست موازية للمحور الأصلي50. في هذه الحالة الأخيرة ، يتم جمع الانبعاثات ذات الزاوية المنخفضة والزاوية العالية وتشكل أنماط انبعاثات صلبة46.

هنا ، نصف بروتوكولا لتصنيع ركائز SERS ذات وضع الفجوة وإجراء لتوظيفها كأقطاب كهربائية عاملة لمراقبة أحداث الأكسدة والاختزال الكهروكيميائية على جسيمات Ag النانوية المفردة باستخدام SERS. الأهم من ذلك ، أن البروتوكول الذي يستخدم ركائز SERS ذات وضع الفجوة يسمح بتحديد لا لبس فيه للجسيمات النانوية المفردة عن طريق تصوير SERS ، وهو تحد رئيسي للمنهجيات الحالية في الكيمياء الكهربائية للجسيمات النانوية المفردة. كنظام نموذجي ، نوضح استخدام SERS لتوفير قراءة للاختزال الكهروكيميائي وأكسدة النيل الأزرق A (NB) على جسيم نانوي Ag واحد مدفوع بمسح أو جهد متدرج (أي قياس الفولتاميتري الدوري ، قياس الكرونوأمبيرومتر). يخضع NB لتفاعل اختزال / أكسدة متعدد البروتون ومتعدد الإلكترونات يتم فيه تعديل هيكله الإلكتروني خارج / في الرنين مع مصدر الإثارة ، والذي يوفر تباينا في أطياف SERS المقابلة10،51،52. ينطبق البروتوكول الموصوف هنا أيضا على جزيئات الأكسدة والاختزال النشطة غير الرنانة والتقنيات الكهروكيميائية ، والتي قد تكون ذات صلة بتطبيقات مثل التحفيز الكهربائي.

Protocol

1. إعداد الركيزة SERS وضع الفجوة نظف أغطية الغطاء رقم 1 (انظر جدول المواد) باستخدام الأسيتون والغسيل بالماء ، كما هو موضح أدناه. نفذ هذه الخطوة في غرفة الأبحاث لضمان عدم ترسب أي حطام أو مواد أخرى غير مرغوب فيها على أغطية الغطاء.ضع أغطية الغطاء في رف منزلق. استخدم الم?…

Representative Results

يوضح الشكل 2 أ ركائز الأغشية الرقيقة Ag المحضرة باستخدام نظام ترسيب معدن شعاع الإلكترون. تحتوي الركيزة “الجيدة” الموضحة في الشكل 2 أ على تغطية متجانسة لمعدن Ag فوق الغطاء الزجاجي ، في حين أن الركيزة “السيئة” لها تغطية غير موحدة ل Ag. يظهر الطيف المرئي فوق البنفسج?…

Discussion

يعد ترسيب الأغشية المعدنية الرقيقة Cu و Ag على أغطية نظيفة أمرا حيويا لضمان أن الفيلم النهائي له خشونة لا تزيد عن طبقتين إلى أربع طبقات ذرية (أو خشونة جذر مربع أقل من أو تساوي حوالي 0.7 نانومتر). يعد الغبار والخدوش والحطام الموجود على غطاء الغطاء قبل ترسب المعدن من المشكلات الشائعة التي تمنع تص…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا العمل من خلال أموال بدء التشغيل من جامعة لويزفيل وتمويل من جامعات أوك ريدج أسوشيتد من خلال جائزة رالف إي بو جونيور لتعزيز أعضاء هيئة التدريس. يشكر المؤلفون الدكتور كي هيون تشو على إنشاء الصورة في الشكل 1. تم إجراء ترسب المعادن و SEM في مركز تكنولوجيا Micro / Nano في جامعة لويزفيل.

Materials

Acetone, microelectronic grade J. T. Baker 9005-05
Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL Eppendorf 4924000100
Analytical Balance, AB54-S/FACT Metter Toledo N.A.
Atomic Force Microscope, Easy scan 2 Nanosurf N.A.
AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System Kurt J. Lesker N.A.
Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer Agilent N.A.
Conductive epoxy, two part Electron Microscopy Sciences 12642-14
Copper pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMCU40EXE
Copper wire, bare, 18 AWG VWR 66248-040
Crucible, Graphite E-Beam Kurt J. Lesker EVCEB-23
Diamond Scriber Ted Pella 54484
EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Epoxy, Clear Gorilla Glue N.A.
Glass Tube Cutter Wheeler-Rex 69012
Glass Tube, Borossilicate (OD 0.75", ID 0.62", L 12") McMaster-Carr 8729K45
Immersion oil, Type-F Olympus IMMOIL-F30CC
Inverted Microscope, IX73 Olympus N.A.
Laser, Excelsior One 642 nm Free space Spectra-Physics N.A.
LightField Teledyne Princeton Instruments N.A.
MATLAB 2022b MathWorks N.A.
Micro cover glass (coverslips), 24×60 mm No. 1 VWR 48404-455
Microscope Smartphone Camera Adapter qhma QHMC017A-S01
Nile Blue A, pure Acros Organics 415690100
Nitrogen, Ultra Pure, Compressed Specialty Gases N.A.
Objective, UPLanXApo 100× Oil Immersion Olympus 14-910
Polyimide Film, Kapton 3M 16089-4
Potassium Phosphate Monobasic VWR P285
Potentiostat, 660E  CH Instruments N.A.
Pt wire Alfa Aesar 10956-BS
Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM Thermo Fischer Scientific N.A.
Si wafer Ted Pella 16006
Silver nanoparticles (nanospheres), NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate nanoComposix AGCN60
Silver pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMAG40EXE-A
Slide Rack, Wash-N-Dry Diversified Biotech WSDR-2000
Smartphone, iPhone 13 mini Apple N.A.
Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate VWR 0348
Spectrometer, IsoPlane SCT320 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Tissue Wipers, Light-duty  VWR 82003-820
Tweezers, KS-04 Kaisi Hardware N.A.
Utrasonic Generator, sweepSONIK Blackstone-NEY Ultrasonics 809379
Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini Sartorius N.A.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. O’Mari, O., Vullev, V. I. Electrochemical analysis in charge-transfer science: The devil in the details. Current Opinion in Electrochemistry. 31, 100862 (2022).
  2. Forster, R. J. Microelectrodes: New dimensions in electrochemistry. Chemical Society Reviews. 23 (4), 289-297 (1994).
  3. Frackowiak, E., Béguin, F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon. 39 (6), 937-950 (2001).
  4. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (2001).
  5. Gerischer, H. The impact of semiconductors on the concepts of electrochemistry. Electrochimica Acta. 35 (11), 1677-1699 (1990).
  6. Savéant, J. -. M. Molecular catalysis of electrochemical reactions. Mechanistic aspects. Chemical Reviews. 108 (7), 2348-2378 (2008).
  7. Maduraiveeran, G., Sasidharan, M., Ganesan, V. Electrochemical sensor and biosensor platforms based on advanced nanomaterials for biological and biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics. 103, 113-129 (2018).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Wang, Y., Shan, X., Tao, N. Emerging tools for studying single entity electrochemistry. Faraday Discussions. 193, 9-39 (2016).
  10. Wilson, A. J., Willets, K. A. Visualizing site-specific redox potentials on the surface of plasmonic nanoparticle aggregates with superlocalization SERS microscopy. Nano Letters. 14 (2), 939-945 (2014).
  11. Devasia, D., Wilson, A. J., Heo, J., Mohan, V., Jain, P. K. A rich catalog of C-C bonded species formed in CO2 reduction on a plasmonic photocatalyst. Nature Communications. 12 (1), 2612 (2021).
  12. Sambur, J. B., et al. Sub-particle reaction and photocurrent mapping to optimize catalyst-modified photoanodes. Nature. 530 (7588), 77-80 (2016).
  13. Sambur, J. B., Chen, P. Approaches to single-nanoparticle catalysis. Annual Review of Physical Chemistry. 65 (1), 395-422 (2014).
  14. Sambur, J. B., Chen, P. Distinguishing direct and indirect photoelectrocatalytic oxidation mechanisms using quantitative single-molecule reaction imaging and photocurrent measurements. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 20668-20676 (2016).
  15. Wang, L., Tahir, M., Chen, H., Sambur, J. B. Probing charge carrier transport and recombination pathways in monolayer MoS2/WS2 heterojunction photoelectrodes. Nano Letters. 19 (12), 9084-9094 (2019).
  16. Rubin, H. The significance of biological heterogeneity. Cancer and Metastasis Reviews. 9 (1), 1-20 (1990).
  17. Altschuler, S. J., Wu, L. F. Cellular heterogeneity: Do differences make a difference. Cell. 141 (4), 559-563 (2010).
  18. Guerrette, J. P., Percival, S. J., Zhang, B. Fluorescence coupling for direct imaging of electrocatalytic heterogeneity. Journal of the American Chemical Society. 135 (2), 855-861 (2013).
  19. Chen, Y., et al. In situ imaging facet-induced spatial heterogeneity of electrocatalytic reaction activity at the subparticle level via electrochemiluminescence microscopy. Analytical Chemistry. 91 (10), 6829-6835 (2019).
  20. Zaleski, S., et al. Investigating nanoscale electrochemistry with surface- and tip-enhanced Raman spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 2023-2030 (2016).
  21. Xu, R., et al. Heterogeneous damage in Li-ion batteries: Experimental analysis and theoretical modeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 129, 160-183 (2019).
  22. Liu, H., et al. Quantifying reaction and rate heterogeneity in battery electrodes in 3D through operando X-ray diffraction computed tomography. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (20), 18386-18394 (2019).
  23. Heinze, J. Ultramicroelectrodes in electrochemistry. Angewandte Chemie International Edition in English. 32 (9), 1268-1288 (1993).
  24. Arrigan, D. W. M. Nanoelectrodes, nanoelectrode arrays and their applications. Analyst. 129 (12), 1157-1165 (2004).
  25. Grall, S., et al. Attoampere nanoelectrochemistry. Small. 17 (29), 2101253 (2021).
  26. Sa, N., Lan, W. -. J., Shi, W., Baker, L. A. Rectification of ion current in nanopipettes by external substrates. ACS Nano. 7 (12), 11272-11282 (2013).
  27. Zhu, C., Huang, K., Siepser, N. P., Baker, L. A. Scanning ion conductance microscopy. Chemical Reviews. 121 (19), 11726-11768 (2021).
  28. Fu, K., Kwon, S. -. R., Han, D., Bohn, P. W. Single entity electrochemistry in nanopore electrode arrays: Ion transport meets electron transfer in confined geometries. Accounts of Chemical Research. 53 (4), 719-728 (2020).
  29. Iwasita, T., Nart, F. C., Rodes, A., Pastor, E., Weber, M. Vibrational spectroscopy at the electrochemical interface. Surface Structure and Electrochemical Reactivity. 40 (1), 53-59 (1995).
  30. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Understanding electrocatalysis at nanoscale electrodes and single atoms with operando vibrational spectroscopy. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 38, 100682 (2022).
  31. Kaim, W., Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The best of two worlds. Chemical Society Reviews. 38 (12), 3373-3382 (2009).
  32. Zhai, Y., Zhu, Z., Zhou, S., Zhu, C., Dong, S. Recent advances in spectroelectrochemistry. Nanoscale. 10 (7), 3089-3111 (2018).
  33. Zheng, X., Zong, C., Xu, M., Wang, X., Ren, B. Raman imaging from microscopy to nanoscopy, and to macroscopy. Small. 11 (28), 3395-3406 (2015).
  34. Opilik, L., Schmid, T., Zenobi, R. Modern Raman imaging: Vibrational spectroscopy on the micrometer and nanometer scales. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 379-398 (2013).
  35. Wilson, A. J., Devasia, D., Jain, P. K. Nanoscale optical imaging in chemistry. Chemical Society Reviews. 49 (16), 6087-6112 (2020).
  36. Willets, K. A. Probing nanoscale interfaces with electrochemical surface-enhanced Raman scattering. Current Opinion in Electrochemistry. 13, 18-24 (2019).
  37. Tian, Z. -. Q., Ren, B. Adsorption and reaction at electrochemical interfaces as probed by surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 55 (1), 197-229 (2004).
  38. Wu, D. -. Y., Li, J. -. F., Ren, B., Tian, Z. -. Q. Electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy of nanostructures. Chemical Society Reviews. 37 (5), 1025-1041 (2008).
  39. Bosnick Jiang, K., Maillard, M., Brus, L. Single molecule Raman spectroscopy at the junctions of large Ag nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (37), 9964-9972 (2003).
  40. Camden, J. P., et al. Probing the structure of single-molecule surface-enhanced Raman scattering hot spots. Journal of the American Chemical Society. 130 (38), 12616-12617 (2008).
  41. Daniels, J. K., Chumanov, G. Nanoparticle−mirror sandwich substrates for surface-enhanced Raman scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 109 (38), 17936-17942 (2005).
  42. Ciracì, C., et al. Probing the ultimate limits of plasmonic enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
  43. Ausman, L. K., Schatz, G. C. On the importance of incorporating dipole reradiation in the modeling of surface enhanced Raman scattering from spheres. The Journal of Chemical Physics. 131 (8), 084708 (2009).
  44. Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution optical imaging of single-molecule SERS hot spots. Nano Letters. 10 (9), 3777-3784 (2010).
  45. Titus, E. J., Weber, M. L., Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution SERS imaging beyond the single-molecule limit: An isotope-edited approach. Nano Letters. 12 (10), 5103-5110 (2012).
  46. Bartko, A. P., Dickson, R. M. Imaging three-dimensional single molecule orientations. The Journal of Physical Chemistry B. 103 (51), 11237-11241 (1999).
  47. Chen, S. -. Y., et al. Gold nanoparticles on polarizable surfaces as Raman scattering antennas. ACS Nano. 4 (11), 6535-6546 (2010).
  48. Du, L., Tang, D., Yuan, G., Wei, S., Yuan, X. Emission pattern of surface-enhanced Raman scattering from single nanoparticle-film junction. Applied Physics Letters. 102 (8), 081117 (2013).
  49. Joshi, P. B., Anthony, T. P., Wilson, A. J., Willets, K. A. Imaging out-of-plane polarized emission patterns on gap mode SERS substrates: From high molecular coverage to the single molecule regime. Faraday Discussions. 205, 245-259 (2017).
  50. Stranahan, S. M., Titus, E. J., Willets, K. A. SERS orientational imaging of silver nanoparticle dimers. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (21), 2711-2715 (2011).
  51. Cortés, E., et al. Monitoring the electrochemistry of single molecules by surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 132 (51), 18034-18037 (2010).
  52. Wilson, A. J., Molina, N. Y., Willets, K. A. Modification of the electrochemical properties of Nile Blue through covalent attachment to gold as revealed by electrochemistry and SERS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 21091-21098 (2016).
  53. E-beam evaporator SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/Ebaeam_SOP.pdf (2020)
  54. FEI Apreo C SEM SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/ApreoSEMSOPn.pdf (2023)
  55. Benz, F., et al. SERS of individual nanoparticles on a mirror: Size does matter, but so does shape. The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (12), 2264-2269 (2016).
  56. Sundaresan, V., Monaghan, J. W., Willets, K. A. Visualizing the effect of partial oxide formation on single silver nanoparticle electrodissolution. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (5), 3138-3145 (2018).
  57. Wilson, A. J., Mohan, V., Jain, P. K. Mechanistic understanding of plasmon-enhanced electrochemistry. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (48), 29360-29369 (2019).
  58. Wilson, A. J., Jain, P. K. Light-induced voltages in catalysis by plasmonic nanostructures. Accounts of Chemical Research. 53 (9), 1773-1781 (2020).
  59. Wang, J., Heo, J., Chen, C., Wilson, A. J., Jain, P. K. Ammonia oxidation enhanced by photopotential generated by plasmonic excitation of a bimetallic electrocatalyst. Angewandte Chemie International Edition. 59 (42), 18430-18434 (2020).
  60. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Plasmonically enhanced electrochemistry boosted by nonaqueous solvent. The Journal of Chemical Physics. 156 (24), 241101 (2022).
  61. Xiao, X., Fan, F. -. R. F., Zhou, J., Bard, A. J. Current transients in single nanoparticle collision events. Journal of the American Chemical Society. 130 (49), 16669-16677 (2008).
  62. Kwon, S. J., et al. Stochastic electrochemistry with electrocatalytic nanoparticles at inert ultramicroelectrodes-theory and experiments. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (12), 5394-5402 (2011).
  63. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  64. Sun, T., Yu, Y., Zacher, B. J., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of individual catalytic nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 53 (51), 14120-14123 (2014).
  65. Yu, Y., Sun, T., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of single spherical nanoparticles: Theory and particle size evaluation. Analytical Chemistry. 87 (14), 7446-7453 (2015).
  66. Yu, Y., et al. Electrochemistry and electrocatalysis at single gold nanoparticles attached to carbon nanoelectrodes. ChemElectroChem. 2 (1), 58-63 (2015).
  67. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R. Nanoscale structure dynamics within electrocatalytic materials. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16813-16821 (2017).
  68. Wahab, O. J., Kang, M., Unwin, P. R. Scanning electrochemical cell microscopy: A natural technique for single entity electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 22, 120-128 (2020).
  69. Bentley, C. L., et al. Local surface structure and composition control the hydrogen evolution reaction on iron nickel sulfides. Angewandte Chemie International Edition. 57 (15), 4093-4097 (2018).
  70. Wright, D., et al. Mechanistic study of an immobilized molecular electrocatalyst by in situ gap-plasmon-assisted spectro-electrochemistry. Nature Catalysis. 4 (2), 157-163 (2021).
  71. Peng, J., et al. In-situ spectro-electrochemistry of conductive polymers using plasmonics to reveal doping mechanisms. ACS Nano. 16 (12), 21120-21128 (2022).
  72. Yan, M., Kawamata, Y., Baran, P. S. Synthetic organic electrochemical methods since 2000: On the verge of a renaissance. Chemical Reviews. 117 (21), 13230-13319 (2017).
  73. Kingston, C., et al. A survival guide for the "electro-curious.&#34. Accounts of Chemical Research. 53 (1), 72-83 (2020).
  74. Patrice, F. T., Qiu, K., Ying, Y. -. L., Long, Y. -. T. Single nanoparticle electrochemistry. Annual Review of Analytical Chemistry. 12 (1), 347-370 (2019).
  75. Sekretareva, A. Single-entity electrochemistry of collision in sensing applications. Sensors and Actuators Reports. 3, 100037 (2021).

Tags

Keywords: Single NanoparticleSurface-enhanced Raman Scattering (SERS)ElectrochemistryMicroscopyCatalysisReaction IntermediatesChemical TransformationsEnsemble Average MeasurementsVibrational SpectroscopyHeterogeneous PerformanceNanoscale HeterogeneityNile BlueAg Nanoparticles
check_url/65486?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, A. J. Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy. J. Vis. Exp. (195), e65486, doi:10.3791/65486 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image