Beoordeling van borongedopeerd diamant elektrode Kwaliteit en Toepassing op<em> In Situ</em> Wijziging van lokale pH by Water elektrolyse

Summary

Een protocol beschreven voor de karakterisering van de belangrijkste elektrochemische parameters van een borium gedoteerd diamant (BDD) elektrode en volgend verzoek om in situ pH generatie experimenten.

Abstract

Borium gedoteerd diamant (BDD) elektroden toonden aanzienlijke belofte als een elektrodemateriaal waar veel van de gerapporteerde eigenschappen zoals verruimde oplosmiddel venster, lage achtergrondstromen, corrosiebestendigheid, enz., Voortvloeien uit de katalytisch inerte karakter van het oppervlak. Indien gedurende het groeiproces, non-diamond-koolstof (NDC) wordt opgenomen in de elektrodematrix, de elektrochemische eigenschappen veranderen het oppervlak meer katalytisch actief. Als zodanig is het belangrijk dat de electrochemist hoogte is van de kwaliteit en de resulterende sleutel elektrochemische eigenschappen van de BDD elektrode voor gebruik. Dit document beschrijft een reeks karakterisering stappen, waaronder Raman microscopie, capaciteit, venster oplosmiddel en redox elektrochemie, om na te gaan of de BDD elektrode bevat verwaarloosbare NDC dus verwaarloosbaar ^sp2 koolstof. Een toepassing is gemarkeerd, die gebruik maakt van de katalytisch inerteen corrosiebestendig karakter van een NDC-oppervlak dwz stabiel en kwantificeerbare lokale proton en hydroxide productie als gevolg van elektrolyse van water in een BDD elektrode. Een benadering voor het meten van de lokale pH-verandering geïnduceerd door elektrolyse van water gebruik iridium oxide beklede BDD elektroden wordt ook beschreven.

Introduction

Keuze van elektrodemateriaal van groot belang is bij het uitvoeren van elke elektroanalytische studie. In de afgelopen jaren, sp ³ koolstof (diamant) gedoteerd met borium voldoende om het materiaal maken "metaalachtige" is een populaire keuze voor uiteenlopende toepassingen elektroanalytische vanwege de uitstekende elektrochemische (en thermische en mechanische) eigenschappen ^{1,2- , 3.} Deze omvatten corrosiebestendigheid onder extreme oplossing, temperatuur- en drukomstandigheden ⁴ ultrabreed oplosmiddel windows, lage achtergrondstromen en verminderde vervuiling in vergelijking met andere veelgebruikte elektrodematerialen ^5-7,3. Het verhogen non-diamantachtige koolstof (NDC: sp ²⁾ gehalte resulteert in een dalende venster oplosmiddel, verhoging achtergrondstromen ^7,8, veranderingen in zowel de structurele integriteit en gevoeligheid voor verschillende binnenbol redox-stof, bijv. zuurstof ^9-12.

Noot voor zome toepassingen, is NDC aanwezigheid gezien als voordelig ^13. Indien daarenboven materiaal onvoldoende boor bevat zal gedragen als een p-type halfgeleider en tonen verminderde gevoeligheid voor redox-stof in de reductieve potentiële venster, waarbij het ​​materiaal het meest verarmd ladingsdragers ^7. Tenslotte kan de oppervlaktechemie van borium gedoteerd diamant (BDD) een rol bij de waargenomen elektrochemische reactie spelen. Dit geldt vooral voor binnenbol soorten die gevoelig chemie oppervlak en verlagen gedoteerd diamant waarbij een waterstof (H -) – zijn beëindigd oppervlak kan maken halfgeleidende BDD electrode verschijnen "metaalachtige" ^7.

Om te profiteren van de superieure eigenschappen van BDD nemen, is het vaak nodig het materiaal voldoende gedoteerd en bevat slechts NDC mogelijk. Afhankelijk van de gekozen om aan de BDD groeien methode kunnen de eigenschappen variëren ^14,15. Deze paper eerste suggereert een materiaal en een uitverkorenrochemical karakterisering protocol gids voor de beoordeling van BDD elektrode geschiktheid voor gebruik (dwz voldoende boor, minimale NDC) en daarna beschrijft een applicatie op basis van lokaal veranderende pH elektrochemisch gebruik van het protocol geverifieerd elektrode. Dit proces maakt gebruik van het oppervlak veerkracht van NDC-vrije BDD aan corrosie of ontbinding onder toepassing van extreme toegepaste potentialen (of stromen) gedurende langere tijd. Met name het gebruik van een BDD elektrode stabiele proton (H ⁺⁾ of hydroxide genereren (OH ^-) fluxen als gevolg van elektrolyse (respectievelijk oxidatie of reductie) water in de nabijheid van een tweede (sensor) ^16,17 hierin beschreven.

Op deze wijze is het mogelijk om de pH milieu van de sensor besturen op een systematische wijze, bijvoorbeeld voor pH titratie experimenten, of om de pH vast te stellen op een waarde waarbij het ​​elektrochemische proces gevoeligst. Dit laatste is vooral nuttig voortoepassingen waarbij de sensor wordt geplaatst aan de bron, bijv rivier, meer, zee en de pH van het systeem is niet optimaal voor de elektrochemische meting plaats. Twee recente voorbeelden omvatten: (i) genereren van een gelokaliseerde lage pH in een pH-neutrale oplossing voor de elektrodepositie en strippen van kwik ^17; Let BDD is een geliefd materiaal voor de elektrodepositie van metalen als gevolg van de uitgebreide kathodische venster ^9,18,19. (ii) Kwantificering van het elektrochemisch detecteerbare vorm van waterstofsulfide aanwezig bij hoge pH, door het plaatselijk verhogen van de pH van neutraal tot sterk basische ^16.

Protocol

OPMERKING: BDD elektroden worden meestal gekweekt onder toepassing van chemische dampafzettingstechnieken, bevestigd aan een groeisubstraat. Ze laten de groei kamer H-beëindigd (hydrofoob). Als gegroeid dik genoeg de BDD kan van het substraat worden verwijderd en wordt genoemd vrijstaande. De vrijstaande BDD groeioppervlak vaak gepolijst om oppervlakteruwheid aanzienlijk. Reinigen BDD in zuur resulteert in een zuurstof (O) -terminated oppervlak. 1. Acid Cleaning BDD Plaats een bekerglas van geconcent…

Representative Results

Raman-spectra en elektrochemische eigenschappen werden verkregen voor representatieve BDD macrodisc elektrodes met verschillende doteringsmiddel dichtheden en beide belangrijke en aanzienlijke gehaltes NDC, figuren 1 en 2. Figuren 1A en B tonen typische Raman gegevens NDC bevattende dunne film microkristallijn BDD en grotere korrel vrijstaande BDD, gedoteerd boven de metalen drempel respectievelijk. De aanwezigheid van N…

Discussion

Beginnend met een O beëindigd oppervlak bepleit omdat de H-beëindigde oppervlak elektrochemisch stabiel, vooral bij hoge anodische potentials ^7,40,41. Wisseloppervlak aansluiting kan invloed hebben op de kinetiek van elektronentransport binnenbol paren, zoals water elektrolyse (hier gebruikt om de lokale oplossing pH verandering). Indien daarenboven BDD bevat significante NDC bij korrelgrenzen is ook mogelijk dat bij toepassing van de extreme anodische / kathodische potentialen bepleit in dit artikel voor p…

Materials

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