Vurdering av Boron Doped Diamond elektrode Kvalitet og søknad til<em> In Situ</em> Endring av lokal pH ved vannelektrolyse

Summary

En protokoll er beskrevet for karakterisering av de sentrale elektrokjemiske parametere for en bor-dopet diamant (BDD) elektrode og påfølgende anvendelse for de situ pH generasjon eksperimenter.

Abstract

Bor dopet diamant (bdd) elektroder har vist betydelige løftet som et elektrodemateriale, hvor mange av de rapporterte egenskaper som forlenget oppløsningsmiddel vindu, lav bakgrunnsstrøm, korrosjon, etc., oppstår fra den katalytisk inerte natur av overflaten. Imidlertid, dersom det i løpet av vekstprosessen, blir ikke-diamant-karbon (NDC) inkorporeres i elektrodemassen, vil de elektrokjemiske egenskaper endres etter hvert som overflaten blir mer katalytisk aktiv. Som sådan er det viktig at electrochemist er klar over kvaliteten og resulterende sentrale elektrokjemiske egenskaper av BDD elektroden før bruk. Dette dokumentet beskriver en serie av karakteriseringstrinn, inkludert Raman mikroskopi, kapasitans, løsningsmiddel vindu og redoks elektrokjemi, for å fastslå hvorvidt BDD elektroden inneholder ubetydelig NDC dvs. ubetydelig ^sp2 karbon. En søknad er fremhevet som utnyttet katalytisk inertog korrosjonsbestandig natur en NDC-fri overflate dvs. stabil og kvantifiserbare lokal proton og hydroxide produksjon på grunn av vannelektrolyse på en BDD elektrode. En tilnærming for å måle den lokale pH-forandring fremkalt ved vannelektrolyse ved bruk av iridiumoxyd BDD belagte elektroder er også beskrevet i detalj.

Introduction

Valg av elektrodematerialet er av stor betydning når gjennomføre noen electroanalytical studien. I de senere årene, sp ³ karbon (diamant) dopet med tilstrekkelig boron å gjengi materialet "metall-lignende" har blitt et populært valg for et bredt spekter av electroanalytical søknader på grunn av sin utmerkede elektrokjemisk (og termiske og mekaniske) egenskaper ^{1,2 , 3.} Disse omfatter korrosjonsbestandighet under ekstreme løsning, temperatur- og trykkbetingelser ⁴ ultra bred løsemiddel vinduer, lav bakgrunnsstrøm, og redusert tilsmussing, sammenlignet med andre vanlig anvendte elektrodematerialer ^5-7,3. Men økende ikke-diamant-karbon (NDC: sp ²⁾ innholds resulterer i en mink løsemiddel vindu, øker bakgrunns strømninger ^7,8, endringer i både strukturell integritet og følsomhet overfor ulike indre sfære redoks arter, f.eks. oksygen ^9-12.

Merknad for såmeg applikasjoner, er NDC nærvær sett på som fordelaktig ^13. Videre, hvis materialet ikke inneholder tilstrekkelig bor det vil oppføre seg som en p-type halvleder og viser redusert følsomhet for redox-arter i den reduserende potensial vindu, hvor materialet er mest tømt for ladningsbærere ^7. Endelig kan det overflatekjemi av bor dopet diamant (BDD) også spille en rolle i den observerte elektrokjemisk reaksjon. Dette gjelder spesielt for indre sfære arter som er følsomme for overflatekjemi og lavere dopet diamant hvor et hydrogen (H -) – terminert overflaten kan lage en halvledende elektrode BDD virke "metall-liknende" ^7.

For å dra nytte av de overlegne egenskapene til BDD, er det ofte viktig at materialet er tilstrekkelig dopet og inneholder så lite NDC som mulig. Avhengig av metoden vedtatt å vokse BDD, kan egenskapene variere ^14,15. Dette papiret først antyder noen materialer og en utvalgtrochemical karakterisering protokollen guide for vurdering BDD elektrode egnethet før bruk (dvs. tilstrekkelig bor, minimal NDC) og deretter beskriver ett program basert på lokalt endrer pH elektrokjemisk med protokoll verifisert elektroden. Denne prosessen tar fordel av overflaten elastisitet av NDC fritt BDD mot korrosjon eller oppløsning under påvirkning av ekstreme anvendt potensialer (eller strøm) i lange perioder av gangen. Særlig anvendelsen av en BDD elektrode for å generere stabile proton (H ⁺⁾ eller hydroksyd (OH ^-) belegg på grunn av elektrolysen (henholdsvis oksydasjon eller reduksjon) av vann i umiddelbar nærhet til en andre (sensor) ^16,17 er beskrevet heri.

På denne måte er det mulig å regulere pH-miljø på sensoren i en systematisk måte, for eksempel til pH-titrering eksperimenter, eller å fiksere pH ved en verdi hvor den elektrokjemiske prosess som er mest følsom. Sistnevnte er spesielt nyttig foranvendelser hvor sensoren er plassert ved kilden, f.eks elv, sjø, hav og pH-verdien i systemet ikke er optimal for den elektrokjemiske måling av interesse. To nylige eksempler inkluderer: (i) generering av en lokalisert lav pH-verdi, i et pH-nøytral løsning, for elektroavsetning og stripping av kvikksølv ^17; oppmerksom BDD er et yndet materiale for elektrolytisk utfelling av metaller på grunn av den utvidede katodisk vinduet ^9,18,19. (ii) Kvantifisering av elektrokjemisk detekterbar form av hydrogensulfid, til stede ved høy pH-verdi, ved lokal økning av pH fra nøytral til sterkt alkalisk ^16.

Protocol

MERK: BDD elektroder er mest dyrket ved hjelp av kjemiske dampavsetnings teknikker, festet til en vekst substrat. De forlater vekstkammeret H-terminert (hydrofobt). Hvis voksen er tykke nok til BDD kan fjernes fra substratet og er betegnet frittstående. Den frittstående BDD vekstoverflate ofte polert for å redusere overflateruhet. Rengjøring av BDD i syre resulterer i en oksygen (O) -terminated overflate. 1. Acid Rengjøring BDD Plasser et beger med konsentrert svovelsyre (H SO 2 4…

Representative Results

Raman-spektrene og elektrokjemiske egenskaper ble oppnådd for representative BDD macrodisc elektroder med forskjellig dopings tettheter, og både betydelige og neglisjerbare nivåer av NDC, Figur 1 og 2. Figurene 1A og B viser typiske Raman data for NDC holdig tynn film mikrokrystallinsk BDD og større korn frittstående BDD, dopet over den metalliske terskel, henholdsvis. Tilstedeværelsen av NDC er identifiserbar av d…

Discussion

Starter med en O-terminert overflate er fremmet på grunn av H-terminert overflate er elektrokjemisk ustabil, særlig ved høye anodiske potensialer ^7,40,41. Endring overflate avslutning kan påvirke elektronoverføringskinetikken av indre sfære par, så som elektrolyse av vann (her er brukt for å endre den lokale løsningens pH). Videre, hvis bdd inneholder signifikante NDC ved korngrensene er det også mulig at ved anvendelse av den ekstreme anodisk / katodisk potensiale anbefalt i denne artikkelen for pH…

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