Valutazione del Boro Doped Diamante elettrodi Qualità e applicazioni per<em> In Situ</em> Modifica del pH locale da acqua Elettrolisi
Summary
Un protocollo è descritto per la caratterizzazione dei parametri chiave elettrochimici di boro diamante drogato (BDD) elettrodo e la successiva domanda di esperimenti in situ generazione pH.
Abstract
Boron diamante drogato (BDD) elettrodi hanno dimostrato molto promettente come materiale degli elettrodi dove molte delle loro proprietà riportate come esteso finestra solvente, basse correnti di fondo, resistenza alla corrosione, ecc, derivano dalla natura cataliticamente inerte della superficie. Tuttavia, se durante il processo di crescita, non-diamante-carbonio (NDC) viene incorporato nella matrice elettrodi, le proprietà elettrochimiche cambiano mentre la superficie diventa più cataliticamente attivo. Come tale, è importante che la elettrochimico è consapevole della qualità e conseguente principali proprietà elettrochimiche dell'elettrodo BDD prima dell'uso. Questo articolo descrive una serie di fasi di caratterizzazione, tra cui la microscopia Raman, capacità, finestra solvente e redox elettrochimica, per accertare se l'elettrodo BDD contiene trascurabile NDC e quindi trascurabile sp 2 di carbonio. Un'applicazione è evidenziato che sfrutta il cataliticamente inertee la natura resistente alla corrosione di una superficie NDC privo cioè protoni locale stabile e quantificabile e la produzione di idrossido causa di elettrolisi dell'acqua ad un elettrodo di BDD. Un approccio per misurare la variazione del pH locale indotta mediante elettrolisi dell'acqua utilizzando ossido di iridio elettrodi rivestiti BDD è anche descritto in dettaglio.
Introduction
Scelta del materiale degli elettrodi è di grande importanza per lo svolgimento di qualsiasi studio elettroanalitica. Negli ultimi anni, sp 3 del carbonio (diamante) drogato con boro sufficiente a rendere il materiale "metal-like" è diventato una scelta popolare per una vasta gamma di applicazioni elettroanalitiche grazie alla sua eccellente elettrochimica (e termiche e meccaniche) proprietà 1,2 , 3. Questi includono la resistenza alla corrosione sotto soluzione, temperatura e pressione estreme 4 finestre solvente ultra-larga e bassa sfondo correnti, e ridotto sporcamento, rispetto ad altri materiali elettrodici comunemente usati 5-7,3. Tuttavia, l'aumento non-diamante-carbonio (NDC: sp 2) Opere risultati in una finestra di solvente in diminuzione, l'aumento delle correnti di fondo 7,8, cambiamenti sia l'integrità strutturale e la sensibilità verso diverse specie redox sfera interiore, ad esempio. ossigeno 9-12.
Nota per cosìmi applicazioni, presenza NDC è visto come vantaggioso 13. Inoltre, se il materiale non contiene boro sufficiente si comporterà come p-tipo semiconduttore e mostra una ridotta sensibilità alle specie redox nella finestra potenziale riduttivo, dove il materiale è più impoverito di portatori di carica 7. Infine, la chimica superficiale del boro diamante drogato (BDD) può anche giocare un ruolo nella risposta elettrochimica osservata. Questo è particolarmente vero per le specie a sfera interna che sono sensibili alla superficie chimica e abbassare diamante drogato dove un idrogeno (H -) – superficie chiuso possa far apparire un elettrodo BDD semiconduttore "metal-like" 7.
Per sfruttare le proprietà superiori di BDD, è spesso necessario il materiale è sufficientemente drogato e contiene il meno possibile NDC. A seconda del metodo adottato per far crescere il BDD, le proprietà possono variare 14,15. Questo documento suggerisce primo un materiale e di un elettorochemical Guida protocollo di caratterizzazione per la valutazione BDD elettrodo idoneità prima dell'uso (cioè boro sufficiente, minimo NDC) e poi descrive una applicazione basata sul cambiamento localmente pH elettrochimica tramite l'elettrodo protocollo verificata. Questo processo sfrutta la resistenza superficiale del NDC-libera BDD verso corrosione o la dissoluzione sotto il controllo di potenziali estreme applicato (o correnti) per lunghi periodi di tempo. In particolare l'uso di un elettrodo BDD per generare protone stabile (H +) o idrossido (OH -) fondenti causa dell'elettrolisi (ossidazione o riduzione rispettivamente) di acqua in prossimità di un secondo (sensore) 16,17 è descritto qui.
In questo modo è possibile controllare l'ambiente pH del sensore in modo sistematico, ad esempio per esperimenti di titolazione pH, o per fissare il pH ad un valore in cui il processo elettrochimico è più sensibile. Quest'ultimo è particolarmente utile perapplicazioni in cui il sensore è posto alla fonte, ad esempio fiume, mare e il pH del sistema non è ottimale per la misura elettrochimica di interesse. Due esempi recenti comprendono: (i) generazione di un basso pH localizzata, in una soluzione a pH neutro, per l'elettrodeposizione e stripping di mercurio 17; notare BDD è un materiale preferito per elettrodeposizione di metalli grazie alla finestra catodica estesa 9,18,19. (ii) La quantificazione della forma elettrochimicamente rilevabile di solfuro di idrogeno, presente a pH elevato, aumentando localmente il pH da neutro a fortemente alcalina 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Partendo da una superficie O-terminato è sostenuto perché la superficie H-terminato è elettrochimicamente instabile, soprattutto alle alte potenziali anodici 7,40,41. Cambiare terminazione superficie può influenzare la cinetica di trasferimento elettronico di coppie sfera interiore, come l'elettrolisi dell'acqua (qui utilizzato per modificare il pH della soluzione locale). Inoltre, se il BDD contiene significativa NDC al bordo dei grani è anche possibile che in seguito all'applicazione del es…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare il Dr. Jonathan Newland per la fotografia a figura 4B e per l'elaborazione di immagini al microscopio ottico per il video, la signorina Jennifer Webb per la consulenza e le immagini su misure di angolo di contatto, la signorina Sze-yin Tan per la finestra del solvente dati della figura 2B , il dottor Joseph Maxim per consigli sulla spettroscopia Raman, e anche i membri della Warwick Elettrochimica e interfacce Gruppo che hanno contribuito a sviluppare i protocolli descritti nel presente documento. Vorremmo anche ringraziare Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres e Roy Meyler per la loro parte nella riprese del protocollo.
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 |
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