Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Bor Katkılı Elmas Elektrot Kalite ve Uygulamaya değerlendirilmesi

14.6K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/53484

⸱

6 Ocak 2016

 , 
1Warwick Electrochemistry and Interfaces Group, Department of Chemistry, University of Warwick

Bu makalede

Özet

Bir protokol in situ pH üretimi deneylerinde bir bor kaplı elmas (BDD), elektrot ve bir sonraki uygulamaya önemli elektrokimyasal parametrelerin tanımlanması için tarif edilmektedir.

Özet

Bor kaplı elmas (BDD), elektrotlar vb uzatılmış çözücü pencere, düşük arka plan akımları, korozyon direnci, olarak belirtilen özelliklerinden çoğunun yüzey katalitik olarak atıl doğasından kaynaklanan bir elektrot malzemesi olarak önemli ölçüde söz göstermiştir. Büyüme süreci sırasında olmayan bir elmas-karbon (NDC), elektrot matris içine dahil edilmekte, eğer yüzey daha fazla katalitik olarak aktif hale gelir, ancak, elektrokimyasal özellikleri değişir. Bu nedenle bu electrochemist kalitesi haberdar ve kullanımdan önce BDD elektrotun önemli elektrokimyasal özelliklerinin elde edilen olması önemlidir. Bu yazıda BDD elektrot önemsiz NDC yani önemsiz sp 2 karbon içerip içermediğini anlamak için, Raman mikroskobu, kapasite, çözücü pencere ve redoks elektrokimya dahil karakterizasyon adımlar, bir dizi anlatılmaktadır. Bir uygulama katalitik atıl yararlanır hangi vurgulanırve NDC-serbest yüzey korozyona dayanıklı yapısı nedeniyle BDD elektrodun su elektroliz kararlı ve ölçülebilir yerel proton ve hidroksit üretimi yani. Iridyum oksit kaplı BDD elektrodlar kullanılarak, su elektroliz bağlı lokal pH değişikliği ölçmek için bir yaklaşım, detaylı bir şekilde tarif edilmektedir.

Giriş

Herhangi bir Elektroanalitik çalışma yaparken elektrot malzemesinin seçimi büyük önem taşımaktadır. Son yıllarda, sp 3 karbon (elmas) malzemeyi işlemek için yeterli bor katkılı "metal benzeri" nedeniyle mükemmel elektrokimyasal (termal ve mekanik) özelliklerine 1,2 ile elektroanalitik geniş bir uygulama yelpazesi için popüler bir seçenek haline gelmiştir 3. Bu yaygın olarak kullanılan diğer elektrot malzemeleri 5-7,3 karşılaştırıldığında korozyona karşı aşırı çözeltisi, sıcaklık ve basınç koşulları 4 ultra geniş bir çözücü camlar, düşük arka plan akımlarında direnci ve düşük birikme sonucu tıkanma, içerir. Ancak, artan sigara elmas karbon (NDC: sp 2), örneğin arka plan akımlar 7,8, farklı iç küre redoks türlerine karşı hem yapısal bütünlük ve duyarlılık değişikliklere giderek artan azalan çözücü pencerede içerik sonuçları. Oksijen 9-12.

Öylesine için notBana uygulamaları, NDC varlığı avantajlı 13 olarak görülüyor. Bir malzeme yeterli boron içermiyorsa Ayrıca, bir p-tipi yarı iletken olarak davranırlar ve malzeme en yük taşıyıcıların 7 tüketilir indirgeyici potansiyel penceresinde redoks türleri, azaltılmış hassasiyet gösterir. Son olarak, bor katkılı elmas yüzey kimyası (BDD) ayrıca gözlenen elektrokimyasal yanıt olarak bir rol oynayabilir. Bu, bir hidrojen (H -) - burada yüzey kimyasına ve anılan elmas alt duyarlı olan iç kürenin türler için geçerlidir sona yüzeyi yarı iletken BDD elektrot görünür hale getirebilir "metal-benzeri" 7.

BDD üstün özelliklerinden yararlanmak için, malzeme yeterince katkılı genellikle önemlidir ve mümkün olduğunca az rülmesi, içerir. BDD büyümek için kabul yönteme bağlı olarak, özellikleri 14,15 değişebilir. Bu kağıt ilk malzeme ve bir seçecek önerirsonra kullanımdan önce BDD elektrot uygunluğu (yani yeterli bor, minimal NDC) değerlendirilmesi ve için rochemical karakterizasyonu protokol kılavuzu yerel elektrokimyasal protokol doğrulanmış elektrodu kullanılarak pH'ı değiştirerek dayalı bir uygulama açıklanır. Bu süreç uzun bir süre için aşırı uygulanan potansiyeller (ya da akımlar) uygulaması kapsamında korozyon veya dağılması yönünde NDC-free BDD yüzey esneklik yararlanır. Özellikle, BDD elektrotun kullanılması stabil proton (H +) ya da hidroksit oluşturmak için (OH -) 16,17, burada tarif edilen bir ikinci (sensör) çok yakın bir suyun elektrolizi (sırasıyla oksitlenme ya da indirgeme) nedeniyle akıları.

Bu şekilde, pH titrasyon deneyleri için, örneğin sistemli bir şekilde sensörün pH ortamı kontrol etmek veya elektrokimyasal süreç en hassas olduğu pH değeri düzeltmek mümkündür. Ikincisi için özellikle yararlıdırSensör kaynağı, örneğin akarsu, göl, deniz ve sistemin pH yerleştirilir uygulamaları ilgi elektrokimyasal ölçümü için optimal değildir. İki son örnekleri şunlardır: elektro ve cıva 17 sıyırma bir pH nötr çözelti içinde lokalize bir düşük pH (i) üretim,; BDD nedeniyle genişletilmiş katodik pencereye 9,18,19 metallerin elektro için tercih edilen bir malzeme olduğunu unutmayın. (ii) yerel olarak nötr kuvvetli alkalin 16'dan pH'ı artırarak yüksek pH mevcut hidrojen sülfür, bir elektrokimyasal saptanabilir formunun miktarının belirlenmesi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Not: BDD elektrotlar en yaygın olarak bir büyütme alt-tabakası eklenmiş kimyasal buhar depozisyon teknikleri kullanılarak yetiştirilir. Onlar büyüme odasına H sonlandırılmış (hidrofobik) bırakın. Yeterince kalın yetiştirilen durumunda BDD substrattan çıkarılabilir ve desteksiz olarak adlandırılır. Duran BDD büyüme yüzeyi genellikle önemli ölçüde yüzey sertliğine azaltmak için parlatılır. Bir oksijen asit sonuçlarında BDD Temizleme (O) -terminated yüzey.

1. Asit Temizleme BDD

  1. Konsantre sülfürik asidin bir behere koyun (H 2 SO 4, ~ 2 ml veya yeterince derin elmas kapsayacak şekilde) oda sıcaklığında sıcak bir plaka üzerinde ve BDD yerleştirin.
  2. Isıtmakta ve potasyum nitrat çözülür gibi o kadar artık erir potasyum nitrat (KNO 3) ekleyin (~ 2 mL içinde 0.5 g), daha sonra ~ 300 ° C'ye kadar bir izleme camı ve ısı ile kapak çözelti, kahverengi bir döner.
    DİKKAT Bakımı sıcak asit tutarken alınmalıdır!; lastik eldivenler, emniyet glasses ve laboratuvar önlüğü giyilmelidir ve bu süreç bir davlumbaz yapılmalıdır.
  3. Daha sonra, en az 30 dakika boyunca veya solüsyon için bir kahverengi artık kalmayana kadar ısıtmak sıcak plaka kapatmak ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın çözelti bırakın.
  4. Dikkatle RT su içinde seyreltilmesiyle asit imha ve damıtılmış su ile BDD yıkayın.
  5. Yüzey temas açısı ölçün, Bölüm 1.2. Hidrofobik (H sonlandırılmış) 20,21 elektrotlar yüzey O-fesih yoluyla hidrofil hale gelmesi önemli ölçüde azaltır aralığı 60-90 ° 3, kontakt açıları bildirdi.
  6. (büyütme alt-tabakası ve yukarıda tedavisi kullanılarak film ayrılmasından kaçınmak bağlı), çok ince film elektrot için (isteğe bağlı alternatif yöntem), bir ultrasonik banyo içinde deiyonize su ile iki kere 2-propanol ile bir kez yıkayın. Ardından, anotsal 10 mA cm 30 dakika boyunca elmas polarize aşağıdaki üç temizlik prosedürleri birini (1) benimsemek -2, 40 ° C'de 22 de 1 M perklorik asit içinde ya da (2) anotsal 10 mA sm'de 20 dakika boyunca elmas polarize -2 1 M nitrik asit içinde, daha sonra daha sonra katodik 10 mA cm polarize -2 aynı çözelti 23 veya daha fazla bir 20 dakika boyunca; Istikrarlı bir elektrokimyasal sinyal gelene kadar 0,1 MH 2 SO 4 içinde 2 V arasında elmas 7 elde edilir (3) döngüsü. Adım 1.4 ile bu izleyin.

2. Temas Açısı Ölçümü

  1. O düz sağlanması, bir temas açısı analizörü örnek sahnede elmas yerleştirin. Örnek aşamasında yukarıda konumlayıcıda 1 ml şırınga yerleştirin ucunda iğne sabitleyin. Iyonu giderilmiş su ile şırınga doldurun.
  2. Elmas merkezi üzerinde şırınga hizalamak denetleyicileri ve kamera / aydınlatıcı - ve y - x kullanabilirsiniz, örnek şırınga düşürmek için z-denetleyici kullanın.
  3. Analizörü yazılım dağıtım tekrar 1 ul volum kullanmaKamera görüntüsünün (asla fazla 10 ul) görünür iğnenin ucunda bir damla formları kadar şırınga dışına su es. Yüzeye damlacık yatırmak ve maksimum kontrast için aydınlatma ayarlamak için iğne indirin.
  4. Konik bölüm yöntemi kullanılarak, şekil analiz yazılımı açılan bir görüntü toplayın ve uygulayın. Tıklayın yazılımda "taban çizgisini bulmak" ve ardından "teğet" takip "hesaplama" butonuna tıklayınız.
    NOT: Bu prosedür taban çizgisini algılar ve şekli damla (eliptik) bir konik denklemi uyuyor; Bir temas açısı, θ, başlangıçta ve üç fazlı temas noktasında teğet arasında çizilir.

3. BDD Malzeme Karakterizasyonu

  1. Raman Analizi sp 2 / sp 3 içerik için
    1. Raman yürütmek, BDD elektrodun çeşitli alanlarda 514,5 nm 24 kullanım veya (Pratik Raman Spektroskopisi için bir rehber için 14 başvuru bakınız)Sp 2 içeriği vurgular 532 nm lazer, savunulmaktadır.
    2. Mikro-Raman spektrometresi açın ve CCD Dedektör soğuması için ~ 30 dakika bekleyin. Uygun lensi kontrol, kırınım ızgarası ve filtreler seçim lazer ile kullanılmak üzere yerdesiniz.
    3. Bir silikon (Si) kalibrasyon örneği kullanarak sistemi kalibre edin. Enstrüman odasında Si substratı yerleştirin ve mikroskop ile numune üzerinde optik odaklanın. Odasına kapıyı kapattı. Lazer görünümüne geçin ve lazer nokta iyi tanımlanmış ve dairesel olup olmadığını kontrol edin. Daha sonra "Tamam" "kalibrasyon" takip "alet" sonra "hızlı kalibrasyon" a tıklayın, yazılımı kullanarak kalibre edin.
    4. Odasından Si substrat çıkarın ve BDD elektrot ile değiştirin. Optik ilgi alanına mikroskop odak, lazer görünümüne geçmek ve lazer odaklı olup olmadığını kontrol etmek deklanşörü açın. Deklanşörü kapatın.
    5. Yazılımını kullanarak bir Raman ölçüm alın; clic"ölçüm" sonra "yeni", sonra k "spektral edinimi." ; 1800 cm -1 - ilgi özelliklerini kapsayacak şekilde ölçüm dalgasayısı aralığını ayarlamak, BDD için bu 200 Tarama edinimi süresi (<10 sn) set; ve (BDD için)% 100 lazer gücünü ayarlamak; birikimleri sayısını beşe (BDD için) (tekrar taramaları) ayarlayın. Elde edilen spektrum çok gürültülü ise daha birikintiler gerekebilir. Basın çalıştırmak analizi için ortaya çıkan spektrum kaydetmek ve. Raman canlı video kullanılarak gerçekleştirildi alanın bir fotoğrafını çekin. Bir referans olarak görüntü kaydetme.
    6. Zirve ~ 1332 cm -1 gözlemleyin sp 3 elmas (Şekil 1) gösterir spektrumda; 3,25 mevcut fazla kusurlar bir pik geniş.
    7. Herhangi rülmesi, gözlemleyin - 1575 cm -1 26 merkezli geniş bir G zirve ile gösterilen, spektrumları (Şekil 1A ve 1B) eşleştirilmiş sp germe gelen, menşeli 2 siteleri; pik şiddeti daha NDC mevcut büyüktür.
      NOT: sp 2 C tarafından oluşturulan π bağları sp 3 σ bağlardan daha fazla kutuplanabilir ve resonantly görünür lazerler tarafından geliştirilmiş geniş, daha baskın, G 25 zirveleri yol açmaktadır. Analizleri yapmak için kullanılan kesin yöntem farklı enstrümanlar ve yazılım arasında değişebilir unutmayın.

4. Elektrokimyasal Karakterizasyonu

  1. Omik kişileri hazırlama
    1. Solo BDD
      1. 1 x 10 -5 mBar altında basınçlarda sputterer / buharlaştırıcı kullanılarak, titanyum (Ti) / altın (Au), 10 nm / 300 nm BDD ters standart teknikler kullanılarak serpme (veya buharlaşır). Üç hedef kaynağı kullanılabilir durumdaysa, daha ideal Au içine Ti difüzyon önlemek için Ti 10 nm / platin (Pt) 10 nm / Au 300 nm.
      2. 400 ° C (atmosfer basıncı) titanyum karbür oluşturmak üzere Ti sağlayarak, 5 saat boyunca tavlama crucomik temas 27 oluşumu için ial.
        NOT: BDD arka yüzeyi cilalı ise (~ nm pürüzlülük) o zaman daha sağlam bir kaplama sağlamak için birikmesini sputter önce yüzeyin pürüzlendirilmesi tercih edilir. Bu durum, örneğin, elde edilebilir, yüzey (kaldırma <30 um malzemesi) Mikroişleme düşük lazer gücü.
    2. Bir iletken substrat üzerinde yetişen ince film elmas
      1. / Çıtırtı yukarıdaki gibi buharlaşması, ancak üst yüz, bir gölge maskesi kullanarak yavaşça üst tüm elektrot temas önlemek için üst yüzeyinde koyun.
        VEYA
      2. Bir elmas uçlu kalem kullanarak iletken yüzeye arka Scratch. Sonra Ag macun veya küçük bir fırça ile ince bir tabaka üzerinde boyayarak benzer iletken boya yapılması ile çizilmiş alan ceket. Son olarak, elektriksel iletken epoksi ile bakır teller takarak bağlayın.
        NOT: seçecek sonra BDD hazırlamak için çeşitli yollar vardırBDD cam veya epoksi küçük yapılar, mühür içine işlenmiş, ya da hala gofret kelepçe takılı ise / üst yüzeyine bir elektrokimyasal hücre eklemek olabilir eğer, referans 4 de tarif örneğin olarak rical temas.
  2. Kapasitans Ölçümler
    1. Iki defa damıtılmış su içerisinde 0,20 g ağırlığındaki 0.1 M KNO 3 çözeltisinin bir 20 ml hazırlanması (bu suyun kalitesi boyunca tavsiye edilen direnç 18.2 M cm edilmiştir) hazırlandı. Alümina parlatma veya elektrokimyasal inceltilmiş asit bisiklet yoluyla kullanımdan önce elektrodu temizleyin 16,23,28 (bölüm 1 NOT bakınız).
    2. 0,1 V sn halkalı voltamogramlan (özgeçmiş) çalıştırın potansiyostatı kullanma -1 V V -0.1 arasında 0,1, 0 V başlayan BDD ile ortak referans elektrodu karşı çalışma elektrodu, örneğin gümüş / gümüş klorür (Ag / AgCl olarak ) ya da doymuş kalomel elektrot (SCE), bir Pt karşı elektrot. İkinci CV analiz edin.
      NOT: Şekil 2A Bağlantısız bir metalik kaydedilen tipik bir kapasite eğrisi BDD elektrot katkılı gösterir.
    3. 2 tarafından kaydedilen kapasite eğrisi ve bölünmüşlüğün 0 V toplam akım büyüklüğünü ölçmek, bu değer "i" dir. IF cm -2 ve teklif (yüzey pürüzlülüğü uygunsa için muhasebe) alan elektrot ile ilgili normalleştirmek, denklemi 1 ile, i için değeri kullanarak, kapasite, C belirleyin. Yüksek kalite, "metal benzeri" BDD bir kapasitans << 10 jxF cm -2 sahiptir. Sunmak ve verileri analiz yazılım komplo herhangi bir veri kullanın.
      i = C (Vt-1) (denklem 1.);
      i (A) ve (V t-1) mevcut olduğu, potansiyel tarama oranıdır.
  3. Solvent Pencere
    1. Adım 4.2.1 deki gibi elektrodu temizleyin. 0,1 V sn 0.1 M KNO 3 CV çalıştırmak -1 bir potansiyostatı kullanılması 0 V V -2 sonra arası -2 V ve 2 V and ortak bir referans elektrot ve Pt karşı elektrot karşı çalışma elektrodu olarak BDD olan geri 0 V. Tekrarlayın. İkinci CV, CV Şekil 2B'de gösterilen bir örnek analiz edin.
    2. Dikkate yüzey pürüzlülüğü alarak, akım yoğunluğu (mA cm -2) akım dönüştürme ve ± 0.4 mA cm akım sınırları -2 her iki yönde de tanımlanan potansiyel bir pencere olarak çözücü pencereyi alıntı. 7,29 yazılım komplo herhangi bir veri kullanma sunmak ve verileri analiz etmek.
    3. Solvent pencerede NDC (sp 2 karbon) kanıtlarını gözlemleyin; Oksijen indirgeme reaksiyonu indirgeyici pencerede açıkça bellidir NDC üzerinde tercih edilir. Sp 2 içeren grupların oksidasyonu de sadece anodik pencere (Şekil 2B), bir su elektroliz öncesi karakteristik zirveleri ile sonuçlanır.
      NOT: Yüksek kaliteli "metalik" BDD elektrot oksijen azalması reac desteği yok, çözücü pencereler >> 3 V var0.1 M KNO 3 yon (ORR) (ya da ORR güçlü kinetik engelli) ve önemsiz NDC oksidasyon imzalarını gösterme.
  4. Redoks Elektrokimya
    1. Adım 4.2.1 deki gibi elektrodu temizleyin.
    2. 1 mM rutenyum hexaamine bir potansiyostat rekor özgeçmiş Kullanma (Ru (NH 3) 6 3+) ve 0.1 M KNO 3 SCE karşı V V 0,2 ila -0.8, -1 aralığında 0.05 V sn tarama oranları için - 0,2 V sn -1.
      NOT: Bu çift hızlı elektron transferini gösterir ve p-tipi yarı iletken BDD meydan okuyan bir bölgede elektro olduğunu. sp BDD da bu bölgede Orr gösterir ihtiva eden 2, ikinci sinyal 6 3+ azaltılır Ru (NH3) konsantrasyonu olarak daha belirgindir.
    3. Anodik ve kaydedilen CV gelen katodik pik akımı (Δ E p) ve açıklanan 20 olarak sıcaklık arasındaki gerilim ayrımı ölçün."Metal benzeri" ohmically 298 K oksijen sonlandırıldı BDD temas için, Δ E p <70 mV 30,31. 3 x 10 20 B atomuna cm aralığında 9,2 x 10 16 takviye yoğunluklarının BDD elektrotlar için Şekil 2C'de gösterildiği gibi, daha büyük Δ E p değerleri, zayıf bir omik temas ya da bir düşük bor içeriğinin semptomatik -3.
    4. Ileri tarama tepe akımını ölçmek i p ve elektrot varsayarak disk şeklindeki geometri ve yeterince büyük, 3,30 (298 K kote) Randles Sevcik denklemi 2 beklenen ile ilişkili (çap 1 mm) bu lineer difüzyon hakimdir. Sunmak ve verileri analiz yazılım komplo herhangi bir veri kullanın.
      i p = 2.69 × 10 5 n 3/2 MS 1/2 cv 1/2 (eq 2)
      burada, n,transfer elektronlarının sayısı, bir bölge (cm2) 'dir, D, difüzyon katsayısı (cm 2 sec-1), c konsantrasyon (mol cm -3) ve v tarama hızı (V sn-1)' dir.

5. pH Üretimi: pH Duyarlı Elektrot ve pH Üretimi Hazırlanması

  1. İridyum oksit (pH-hassas) Çözelti Hazırlama
    1. Bölüm 5.4.1'de bir 20 ml 0.1 M KNO 3 çözelti hazırlayın. (Bu gözle bir yanıtı görmek için yeterli olduğunu, ancak daha yoğun bir renk için, daha fazla damla) Pasteur pipeti ve karıştırın kullanarak fenolftalein indikatör çözeltisi 5 damla ekleyin. Çözeltide BDD çalışma elektrot ve Pt karşı elektrot yerleştirin.
    2. Sürekli karıştırılarak, susuz potasyum klorür, tuz ilavesi ile 10.5'e kadar çözeltinin pH ayarlayın. Kademeli olarak sarı-yeşil gidecek sahiptir ve bu aşamada, stabilize oda sıcaklığında 48 saat boyunca karıştırıldıktan boşmavi-mor. 3 ° C de bir buzdolabında saklayın.
  2. pH Duyarlı iridyum oksit Film Kaplama
    1. Bir potansiyostatı kullanılarak maksimum akım kaydedilir hangi potansiyelini belirlemek için 0 V ve +1 V SCE karşı arasındaki iridyum oksit çözeltisi içinde bir CV çalıştırın. Tipik ~ + 0.6 V arasında uzanan, Şekil 3A'da gösterildiği gibi bu birikim potansiyeli, E dep ise - 0,85 V; bu tür, sıcaklık, elektrot maddesi 32, 33 olarak bir çok faktöre bağlı olarak değişebilir
    2. Bir potensiyostat ile Kronoamperometri kullanılarak, 0.2 bir zaman süresi için, herhangi bir elektroliz (yazılım "High E") E dep oluşur 0 V (yazılım "başlangıç ​​E" ile "low-e") 'den aşama potansiyel adım başına sn, 100x tekrarlayın.
    3. IRO elektrot yatırılan x SO 4 2 MH 0.1 V V 0 ile +1 CV çalıştırın. Karakteristik CV şekli Şekil 3B'de gösterilmiştir. Aralığında bir akım yoğunluğu ~ 0.6 mA cm -2 - 0,7 mA cm -2 (0,7 mA cm -2 için ~ 8 nm bir ortalama film kalınlığına karşılık gelen) birinci anodik pik, stabil bir pH duyarlı bir film 34 gösterir 35.
    4. Bu değer elde edilene kadar 5.2.4 - akım yoğunluğu en az 0.6 mA cm -2 tekrar 5.2.2 adım ise. Iro x filmin tepki olarak hidrat 24 saat pH 7 tampon çözeltisi içinde elektrodu bırakın hidrasyon bağımlı 33 olduğunu.
  3. IRO Film pH karakterizasyonu x
    1. (PH 2 - pH 12) çıkar pH aralığını kapsayan tampon çözeltiler, bir dizi hazırlayın, bu (örneğin Carmody 36) evde yapılan ya da ticari olarak satın alınabilir.
    2. Elektrodu saf su ile durulanır. Düşük pH tampon çözeltisi içinde IRO x elektrodu ve referans elektrot yerleştirin. Bir potansiyostatı kullanmaÜç tekrarlar, 30 saniye boyunca açık devre potansiyeli (OCP) kaydedin. Bir sonraki tamponda çözüm, durulama ve yerden elektrot çıkarın.
    3. Her tamponu için yineleyin 5.3.2, daha sonra en az iki kez seri tekrarlayın. OCP genel Plot pH film yanıt kalibrasyon grafiği. On 37 başına 80 mV - Bir IRO x filmi 59 arasında bir gradyan ile bir yamaç sergiler.
      NOT: Şekil 3C BDD başarılı bir IRO x pH sensörü için bir örnek kalibrasyon grafiğini göstermektedir.
  4. PH jeneratör ve ölçüm sistemini kullanarak
    Not: - galvanostatically Su elektroliz bu OH, H + veya üretecek bir elektrot iro x filmi (örneğin, disk) ve ikinci (örn BDD halkası) ile kaplanmış olan bir çift elektrot sisteminin kullanımını varsaymaktadır.
    1. Tuzuna deiyonize suyun eklenmesi ile 20 ml 0.1 M KNO 3 çözelti hazırlayın. IRO kaplı x bağlayınikinci elektrot istikrarlı bir referans elektrot, örneğin SCE ile iki elektrot sisteminde çalışma elektrodu olarak elektrot. Başlangıç ​​pH kurmak için, bir potansiyostat kullanılarak OCP ölçün.
    2. Bir karşıt elektrot, örneğin Pt folyo ve tekrar adım 5.4.1 ile uygun bir iki elektrot galvanostatik sistemine jeneratör elektrodu bağlayın, ancak belirli bir zaman süre sonra jeneratör elektrot bir akım uygulanır.
      NOT: Biz 0 ± 50 uA bizim BDD elektrotlar ile uygun aralıkta akımları bulmak; Daha büyük akımlar kayda değer gaz evrim sonucu. Akımın büyüklüğü ve yönü istene sonuca da bağlıdır; Bir pozitif akım daha asidik pH kayması daha fazla alkalin pH değerinde bir negatif akım, pH değişikliği daha geniş bir akım ile sonuçlanacaktır.
    3. Tepki stabilize kadar potansiyostatı kullanarak, galvanostatik akımına tepki olarak OCP değişikliği kaydetmek bekleyin. Sonra IRO x yerleştirmek elektrot IRO x filmi yeniden dengelenmeye.
    4. Tekrarlayın gerekli tüm veriler toplanmıştır kadar, farklı uygulamalı akımlarla 5.4.3 için 5.4.2 adımlar. PH OCP dönüştürmek için bölüm 5.3 'de elde edilen kalibrasyon eğrisi kullanarak veri arsa, bir örnek veri seti Şekil 4A gösterilmiştir. 0.2 sn V -2 için 2 V 0.1 MH 2 SO 4 alümina parlatma veya darbeli kullanarak IRO x filmi çıkarın, 100 ×. Ilgi ölçüm sistemi uygulayın.
  5. PH derecesi üretimi görsel değerlendirilmesi
    1. Bölüm 5.4.1'de bir 20 ml 0.1 M KNO 3 çözelti hazırlayın. (Bu gözle bir yanıtı görmek için yeterli olduğunu, ancak daha yoğun bir renk için, daha fazla damla) Pasteur pipeti ve karıştırın kullanarak fenolftalein indikatör çözeltisi 5 damla ekleyin. Çözeltide BDD çalışma elektrot ve Pt karşı elektrot yerleştirin.
    2. Kullanarak çalışma elektrot negatif akım uygulayınadım 5.4.2 deki gibi bir galvanostat (örn ~ -0.6 mA cm -2) çözüm pembe renksiz rengi değişir gibi. Bu artık yerel pH ≥ 10.5 olan bir çözüm üretir.
    3. Metil kırmızısı çözeltisi yerine fenolftalein ve karıştırın 5 damla adımı yineleyin 5.5.1. Çözelti sarıdan kırmızı renk değiştirir öyle ki yeterince pozitif akım (örn ~ 6.6 mA cm -2) uygulayın. Bu şimdi lokal 4.2 38 ≤ pH bir çözüm üretir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Raman ve elektrokimyasal özellikleri farklı takviye yoğunlukları ile temsili BDD macrodisc elektrotlar elde edilmiştir ve NDC önemli ve önemsiz düzeyleri, hem 1 ve 2 Şekil. Şekil 1A ve B gösterisi tipik Raman verileri ince film mikrokristalin BDD ve daha büyük tahıl NDC içeren için bağlantısız BDD, sırasıyla, metalik eşiğinin üzerinde katkılı. NDC varlığı 1400 ve 1600 cm -1 arasında etiketli geniş zirveleri ta...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

H-sonlandırılmış yüzey özellikle yüksek anodik potansiyellerde 7,40,41 de, elektrokimyasal kararsız olduğu için bir O-sonlandırılmış yüzeyi ile başlayan savunulmaktadır. Yüzey sonlandırma değiştirilmesi gibi (yerel çözelti pH'ı değiştirmek için burada kullanılan) su elektroliz olarak iç küre çiftler, elektron transferi kinetik etkileyebilir. BDD tanecik sınırlarında önemli NDC içeriyorsa Ayrıca, aşırı anodik uygulanması üzerine / katodik potansiyelleri bu zayıf noktalarında meydana gelebilir gravür, pH ür...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Biz Şekil 4B fotoğraf için ve video, Bayan Jennifer Webb temas açısı ölçümleri tavsiye ve görseller için için optik mikroskop görüntü işleme için Dr. Jonathan Newland teşekkür etmek istiyorum, Şekil 2B'de Bayan Sze-yin Tan çözücü pencere verileri Dr Maxim Joseph Raman spektroskopisi tavsiye ve burada tarif edilen protokoller geliştirmek için yardımcı olan Warwick Elektrokimyada ve Arayüzler Grubu da üyeleri için. Biz de protokol filme kendi bölümü için Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres ve Roy Meyler teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Pt Tel SayıcıElektrot Doymuş
Kalomel ElektrotIJ Cambria Scientific Ltd.2056Referans Elektrodu (alternatif olarak Ag|AgCl)
BDD ElektrotÇalışma Elektrodu
İridyum TetraklorürVWR International Ltd12184.01
Hidrojen PeroksitSigma-AldrichH1009(% 30 w / w) Aşındırıcı
Oksalik Asit  Sigma-Aldrich241172Zararlı, Tahriş Edici
Susuz Potasyum KlorürSigma-Aldrich451029
Sülfürik AsitVWR International Ltd102765G(% 98) Aşındırıcı
Potasyum NitratSigma-Aldrich221295
Hekzaamin Rutenyum KlorürStrem Chemicals Inc.44-0620Tahriş Edici
Perklorik AsitSigma-Aldrich311421Oksitleyici, Aşındırıcı
2-PropanolSigma-Aldrich24137Yanıcı
Nitrik AsitSigma-Aldrich695033Oksitleyici, Aşındırıcı Püskürtme
Evapourator Au,
Raman514.5 nm lazer
Tavlama FırınıKapasitesine 400 & derece; C
Ag macunuSigma-Aldrich735825veya diğer iletken boya
Potansiyostat
pH Tampon çözeltileriSigma-Aldrich38740-38752Fixanal tampon konsantreleri
Fenolftalein GöstergesiVWR International Ltd210893Q
Metil Kırmızı GöstergesiSigma-Aldrich32654
/ Ti & ile

Kaynaklar

  1. Angus, J. C. Ch. 1, Synthetic Diamond Films: Preparation, Electrochemistry, Characterization and Applications. Electrochemistry on diamond: History and current status. Brillas, E., Huitle, C. A. M. , John Wiley & Sons, Inc. (2011).
  2. Fujishima, A. Diamond Electrochemistry. , BKC. (2005).
  3. Macpherson, J. V. A practical guide to using boron doped diamond in electrochemical research. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (5), 2935-2949 (2015).
  4. Balmer, R. S., et al. Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (36), 364221(2009).
  5. Swain, G. M., Ramesham, R. The electrochemical activity of boron-doped polycrystalline diamond thin film electrodes. Analytical Chemistry. 65 (4), 345-351 (1993).
  6. Luong, J. H. T., Male, K. B., Glennon, J. D. Boron-doped diamond electrode: synthesis, characterization, functionalization and analytical applications. Analyst. 134 (10), 1965-1979 (2009).
  7. Hutton, L. A., et al. Examination of the Factors Affecting the Electrochemical Performance of Oxygen-Terminated Polycrystalline Boron-Doped Diamond Electrodes. Analytical Chemistry. 85 (15), 7230-7240 (2013).
  8. Bennett, J. A., Wang, J., Show, Y., Swain, G. M. Effect of sp2-Bonded Nondiamond Carbon Impurity on the Response of Boron-Doped Polycrystalline Diamond Thin-Film Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 151 (9), E306-E313 (2004).
  9. Martin, H. B., Argoitia, A., Landau, U., Anderson, A. B., Angus, J. C. Hydrogen and Oxygen Evolution on Boron-Doped Diamond Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 143 (6), L133-L136 (1996).
  10. Panizza, M., Cerisola, G. Application of diamond electrodes to electrochemical processes. Electrochimica Acta. 51 (2), 191-199 (2005).
  11. Williams, O. A. Nanocrystalline diamond. Diamond and Related Materials. 20 (5-6), 5-6 (2011).
  12. Patel, A. N., Tan, S. -y, Miller, T. S., Macpherson, J. V., Unwin, P. R. Comparison and Reappraisal of Carbon Electrodes for the Voltammetric Detection of Dopamine. Analytical Chemistry. 85 (24), 11755-11764 (2013).
  13. Watanabe, T., Honda, Y., Kanda, K., Einaga, Y. Tailored design of boron-doped diamond electrodes for various electrochemical applications with boron-doping level and sp2-bonded carbon impurities. physica status solidi (a). 211 (12), 2709-2717 (2014).
  14. Poferl, D. J., Gardner, N. C., Angus, J. C. Growth of boron-doped diamond seed crystals by vapor deposition. Journal of Applied Physics. 44 (4), 1428-1434 (1973).
  15. Spitsyn, B. V., Bouilov, L. L., Derjaguin, B. V. Vapor growth of diamond on diamond and other surfaces. Journal of Crystal Growth. 52 (Pt 1), 219-226 (1981).
  16. Bitziou, E., et al. In Situ Optimization of pH for Parts-Per-Billion Electrochemical Detection of Dissolved Hydrogen Sulfide Using Boron Doped Diamond Flow Electrodes. Analytical Chemistry. 86 (21), 10834-10840 (2014).
  17. Read, T. L., Bitziou, E., Joseph, M. B., Macpherson, J. V. In Situ Control of Local pH Using a Boron Doped Diamond Ring Disk Electrode: Optimizing Heavy Metal (Mercury) Detection. Analytical Chemistry. 86 (1), 367-371 (2014).
  18. Manivannan, A., Tryk, D., Fujishima, A. Detection of Trace Lead at Boron-Doped Diamond Electrodes by Anodic Stripping Analysis. Electrochemical and solid-state letters. 2 (9), 455-456 (1999).
  19. Manivannan, A., Seehra, M. S., Tryk, D. A., Fujishima, A. Electrochemical detection of ionic mercury at boron-doped diamond electrodes. Analytical Letters. 35 (2), 355-368 (2002).
  20. Boukherroub, R., et al. Photochemical oxidation of hydrogenated boron-doped diamond surfaces. Electrochemistry Communications. 7 (9), 937-940 (2005).
  21. Yagi, I., Notsu, H., Kondo, T., Tryk, D. A., Fujishima, A. Electrochemical selectivity for redox systems at oxygen-terminated diamond electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 473 (1), 173-178 (1999).
  22. Duo, I., Levy-Clement, C., Fujishima, A., Comninellis, C. Electron Transfer Kinetics on Boron-Doped Diamond Part I: Influence of Anodic Treatment. Journal of Applied Electrochemistry. 34 (9), 935-943 (2004).
  23. Mahé, E., Devilliers, D., Comninellis, C. Electrochemical reactivity at graphitic micro-domains on polycrystalline boron doped diamond thin-films electrodes. Electrochimica Acta. 50 (11), 2263-2277 (2005).
  24. Vandenabeele, P. Practical Raman spectroscopy: an introduction. , John Wiley & Sons. (2013).
  25. Filik, J. Raman spectroscopy: a simple, non-destructive way to characterise diamond and diamond-like materials. Spectroscopy Europe. 17 (5), 10(2005).
  26. Tuinstra, F., Koenig, J. L. Raman Spectrum of Graphite. The Journal of Chemical Physics. 53 (3), 1126-1130 (1970).
  27. Tachibana, T., Williams, B., Glass, J. Correlation of the electrical properties of metal contacts on diamond films with the chemical nature of the metal-diamond interface. II. Titanium contacts: A carbide-forming metal. Physical Review B. 45 (20), 11975(1992).
  28. Zivcova, Z. V., et al. Electrochemistry and in situ Raman spectroelectrochemistry of low and high quality boron doped diamond layers in aqueous electrolyte solution. Electrochimica Acta. 87, 518-525 (2013).
  29. Granger, M. C., et al. Standard Electrochemical Behavior of High-Quality, Boron-Doped Polycrystalline Diamond Thin-Film Electrodes. Analytical Chemistry. 72 (16), 3793-3804 (2000).
  30. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods. Fundamentals and Applications. , 2nd ed, John Wiley and Sons. (2001).
  31. Simonov, A. N., et al. Inappropriate Use of the Quasi-Reversible Electrode Kinetic Model in Simulation-Experiment Comparisons of Voltammetric Processes That Approach the Reversible Limit. Analytical Chemistry. 86 (16), 8408-8417 (2014).
  32. Terashima, C., Rao, T. N., Sarada, B. V., Spataru, N., Fujishima, A. Electrodeposition of hydrous iridium oxide on conductive diamond electrodes for catalytic sensor applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 544, 65-74 (2003).
  33. Bitziou, E., O'Hare, D., Patel, B. A. Simultaneous Detection of pH Changes and Histamine Release from Oxyntic Glands in Isolated Stomach. Analytical Chemistry. 80 (22), 8733-8740 (2008).
  34. Pickup, P. G., Birss, V. I. The kinetics of charging and discharging of iridium oxide films in aqueous and non-aqueous media. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 240 (1-2), 185-199 (1988).
  35. Baur, J. E., Spaine, T. W. Electrochemical deposition of iridium (IV) oxide from alkaline solutions of iridium(III) oxide. Journal of Electroanalytical Chemistry. 443 (2), 208-216 (1998).
  36. Carmody, W. R. Easily prepared wide range buffer series. Journal of Chemical Education. 38 (11), 559(1961).
  37. Glab, S., Hulanicki, A., Edwall, G., Ingman, F. Metal-Metal Oxide and Metal Oxide Electrodes as pH Sensors. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 21 (1), 29-47 (1989).
  38. Burgot, J. -L. Ionic equilibria in analytical chemistry. , Springer Science & Business Media. (2012).
  39. Joseph, M. B., et al. Fabrication Route for the Production of Coplanar Diamond Insulated, Boron Doped Diamond Macro- and Microelectrodes of any Geometry. Analytical Chemistry. 86 (11), 5238-5244 (2014).
  40. Vanhove, E., et al. Stability of H-terminated BDD electrodes: an insight into the influence of the surface preparation. physica status solidi (a). 204 (9), 2931-2939 (2007).
  41. Salazar-Banda, G. R., et al. On the changing electrochemical behaviour of boron-doped diamond surfaces with time after cathodic pre-treatments. Electrochimica Acta. 51 (22), 4612-4619 (2006).
  42. Gelderman, K., Lee, L., Donne, S. W. Flat-Band Potential of a Semiconductor: Using the Mott-Schottky Equation. Journal of Chemical Education. 84 (4), 685(2007).
  43. Ushizawa, K., et al. Boron concentration dependence of Raman spectra on {100} and {111} facets of B-doped CVD diamond. Diamond and Related Materials. 7 (11-12), 1719-1722 (1998).
  44. Chrenko, R. Boron, the dominant acceptor in semiconducting diamond. Physical Review B. 7 (10), 4560(1973).
  45. Uzan-Saguy, C., et al. Hydrogen diffusion in B-ion-implanted and B-doped homo-epitaxial diamond: passivation of defects vs passivation of B acceptors. Diamond and Related Materials. 10 (3-7), 453-458 (2001).
  46. Hammerich, O., Speiser, B. Organic Electrochemistry. , Fifth Edition, Taylor & Francis. (2015).
  47. Juang, R. -S., Wang, S. -W. Electrolytic recovery of binary metals and EDTA from strong complexed solutions. Water Research. 34 (12), 3179-3185 (2000).
  48. Byrne, R. H., Kump, L. R., Cantrell, K. J. The influence of temperature and pH on trace metal speciation in seawater. Marine Chemistry. 25 (2), 163-181 (1988).
  49. Schonberger, E., Pickering, W. The influence of pH and complex formation on the ASV peaks of Pb, Cu and Cd. Talanta. 27 (1), 11-18 (1980).
  50. Chau, Y., Lum-Shue-Chan, K. Determination of labile and strongly bound metals in lake water. Water Research. 8 (6), 383-388 (1974).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Elektrot Kalite De erlendirmesiSolvent Penceresi AnaliziKapasitans l mRaman MikroskobisiLokal pH Modifikasyonuridyum Oksit KaplamaSiklik VoltametriTemas A s Analizi
Bor Katkılı Elmas Elektrot Kalite ve Uygulamaya değerlendirilmesi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.