JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Química

Vurdering af bordoteret Diamond Elektrode Kvalitet og Ansøgning til<em> In Situ</em> Ændring af lokal pH ved vandelektrolyse

Published: January 06, 2016
doi:
10.3791/53484
,
1Warwick Electrochemistry and Interfaces Group, Department of Chemistry,University of Warwick

Summary

En protokol er beskrevet til karakterisering af de vigtigste elektrokemiske parametre for en bordoteret diamant (BDD) elektrode og efterfølgende ansøgning om in situ pH generation eksperimenter.

Abstract

Bordoteret diamant (BDD) elektroder har vist meget lovende som et elektrodemateriale, hvor mange af de rapporterede egenskaber såsom udvidede opløsningsmiddel vinduet lave baggrundsstrømme, korrosionsbestandighed, etc., opstår fra katalytisk inaktivt materiale af overfladen. Men hvis under vækstprocessen, bliver ikke-diamant-carbon (NDC) inkorporeret i elektroden matrix, vil de elektrokemiske egenskaber ændres, når overfladen bliver mere katalytisk aktivt. Som sådan er det vigtigt, at Elektrokemisk er klar over kvaliteten og resulterende centrale elektrokemiske egenskaber af BDD elektroden før brug. Dette papir beskriver en række karakterisering foranstaltninger, herunder Raman mikroskopi, kapacitans, vindue opløsningsmiddel og redox elektrokemi, at undersøge, om BDD elektroden indeholder ubetydelig NDC dvs. ubetydelig sp 2 kulstof. Én anvendelse er fremhævet som drager fordel af katalytisk indifferentog korrosionsbestandig karakter af en NDC-fri overflade dvs stabil og kvantificerbare lokale proton og hydroxid produktion på grund af vand elektrolyse på et BDD elektrode. En tilgang til måling af den lokale pH-ændring induceret af vand elektrolyse under anvendelse af iridium oxid overtrukne BDD elektroder er også beskrevet i detaljer.

Introduction

Valg af elektrodematerialet er af stor betydning, når der udføres en hvilken som helst elektroanalytisk undersøgelse. I de senere år sp3 carbon (diamant) doteret med tilstrækkelig bor for at gøre materialet "metal-lignende" er blevet et populært valg for en bred vifte af elektroanalytiske applikationer på grund af dens fremragende elektrokemisk (og termiske og mekaniske) egenskaber 1,2 3. Disse omfatter modstand korrosion under ekstreme løsning, temperatur- og trykforhold 4 ultra-brede vinduer opløsningsmidler, lave baggrund strømme, og reduceret begroning, i sammenligning med andre almindeligt anvendte elektrode materialer 5-7,3. Men stigende ikke-diamant-carbon (NDC: sp 2) indhold resulterer i en faldende vindue opløsningsmiddel, stigende baggrund strømme 7,8, ændringer i både strukturelle integritet og følsomhed over for forskellige indre sfære redox arter, f.eks. ilt 9-12.

Bemærkning til såmig anvendelser NDC tilstedeværelse betragtes som fordelagtigt 13. Desuden, hvis materialet ikke indeholder tilstrækkelige bor det vil opføre sig som en p-type halvledere og viser reduceret følsomhed over for redox arter i reduktive potentielle vindue, hvor materialet mest forarmet af ladningsbærere 7. Endelig kan overfladen kemi bordoteret diamant (BDD) også spille en rolle i den observerede elektrokemiske reaktion. Dette gælder især for indre sfære arter, der er følsomme over for overfladekemi og lavere doteret diamant, hvor et hydrogenatom (H -) – afsluttet overflade kan gøre en halvledende elektrode BDD vises "metal-lignende" 7.

At drage fordel af de overlegne egenskaber af BDD, er det ofte vigtigt at materialet er tilstrækkeligt doteret og indeholder så lidt NDC som muligt. Afhængig af den metode, til at vokse i BDD, kan egenskaberne variere 14,15. Dette papir først antyder en materialer og en udvalgtrochemical karakterisering protokol guide til vurdering af BDD elektrode egnethed før brug (dvs. tilstrækkelig bor, minimal NDC) og derefter beskriver en ansøgning baseret på lokalt skiftende pH elektrokemisk under anvendelse af protokollen-verificerede elektrode. Denne proces drager fordel af overfladen modstandskraft NDC-fri BDD mod korrosion eller opløsning under anvendelse af ekstreme anvendes potentialer (eller strømme) for lange perioder. Især anvendelsen af en BDD elektrode for at generere stabile proton (H +) eller hydroxid (OH -) fluxe på grund af elektrolyse (oxidation eller reduktion henholdsvis) vand i umiddelbar nærhed af en anden (sensor) 16,17 er beskrevet heri.

På denne måde er det muligt at styre pH-miljø på sensoren i en systematisk måde, fx til pH titreringsforsøg eller at fastsætte pH til en værdi, hvor elektrokemisk proces er mest følsom. Sidstnævnte er især nyttigt foranvendelser, hvor sensoren er placeret ved kilden, f.eks flod, sø, havet og systemets pH ikke er optimal til elektrokemisk måling af interesse. To nylige eksempler indbefatter: (i) generering af en lokaliseret lav pH, i et pH-neutral opløsning, for elektroaflejring og fjernelse af kviksølv 17; Bemærk BDD er et yndet materiale til elektroaflejring af metaller på grund af den forlængede katodisk vindue 9,18,19. (ii) Kvantificering af den elektrokemisk detekterbar form af hydrogensulfid, til stede ved høj pH-værdi, ved lokalt at øge pH fra neutral til stærkt basiske 16.

Protocol

BEMÆRK: BDD elektroder er mest almindeligt dyrket under anvendelse af kemiske dampaflejringsteknikker bundet til et vækstsubstrat. De forlader vækstkammeret H-termineret (hydrofob). Hvis der dyrkes tyk nok BDD kan fjernes fra substratet og betegnes fritstående. Den fritstående BDD vækst overflade er ofte poleret at reducere overfladeruhed. Rengøring af BDD i sure resulterer i en oxygen (O) -terminated overflade. 1. Acid Rengøring BDD Anbring et bægerglas med koncentreret svovlsyre (H 2 S…

Representative Results

Raman-spektret og elektrokemiske egenskaber blev opnået for repræsentative BDD macrodisc elektroder med forskellige Doterstof tætheder, og begge betydelige og ubetydelige niveauer af NDC, figur 1 og 2. 1A og B viser typiske Raman data for NDC-holdige tyndfilm mikrokrystallinsk BDD og større korn fritstående BDD, doteret over metalliske tærsklen henholdsvis. Tilstedeværelsen af NDC kan identificeres ved de mærkede…

Discussion

Startende med en O-termineret overflade er anbefalet, fordi H-terminerede overflade er elektrokemisk ustabilt, specielt ved høje anodiske potentialer 7,40,41. Ændring overflade afslutning kan påvirke elektronoverførselsde- kinetik indre sfære par, såsom vand elektrolyse (anvendes heri til at ændre den lokale opløsningens pH). Desuden, hvis det BDD indeholder betydelige NDC på korngrænserne er det også muligt, at der ved anvendelsen af ​​den ekstreme anodiske / katodiske potentialer anbefales i …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi vil gerne takke Dr. Jonathan Newland for fotografiet i figur 4B og til behandling af optiske mikroskop billeder til videoen, Miss Jennifer Webb for rådgivning og visuals på kontaktvinkelmålinger, Miss Sze-yin Tan for opløsningsmidlet vindue data i figur 2B Dr. Maxim Joseph for rådgivning om Raman spektroskopi, og også medlemmer af Warwick Elektrokemi og Interfaces Group, der har været med til at udvikle de protokoller, der er beskrevet heri. Vi vil også gerne takke Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres og Roy Meyler for deres del i at filme protokollen.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Angus, J. C., Brillas, E., Huitle, C. A. M. Ch. 1, Synthetic Diamond Films: Preparation, Electrochemistry, Characterization and Applications. Electrochemistry on diamond: History and current status. , (2011).
  2. Fujishima, A. . Diamond Electrochemistry. , (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. , (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. , (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. , (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. , (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).

Tags

Boron Doped DiamondElectrode QualityElectro-chemical AssessmentSolvent WindowCapacitanceReversibilityNon-diamond CarbonLocal PH ControlWater ElectrolysisContact AngleSurface Termination

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Read, T. L., Macpherson, J. V. Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis. J. Vis. Exp. (107), e53484, doi:10.3791/53484 (2016).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image