JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemie

تقييم البورون مخدر الماس الكهربائي الجودة وتطبيق ل<em> في الموقع</em> تعديل درجة الحموضة المحلية عن طريق المياه الكهربائي

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

Summary

يوصف بروتوكول لتوصيف المعلمات الكهروكيميائية الرئيسية لالبورون الماس مخدر (BDD) القطب والطلب اللاحق للفي تجارب الجيل درجة الحموضة الموقع.

Abstract

وقد أظهرت البورون الماس مخدر (BDD) أقطاب وعد كبيرا كمادة القطب حيث العديد من الخصائص التي أبلغت عنها مثل تمديد نافذة المذيبات والتيارات خلفية منخفضة، ومقاومة التآكل، وما إلى ذلك، تنشأ من طبيعة خاملة حفاز من السطح. ومع ذلك، إذا أثناء عملية النمو، غير الماس من الكربون (NDC) تندمج المصفوفة الكهربائي، وخصائص الكهروكيميائية تتغير يصبح السطح أكثر نشاطا تحفيزيا. على هذا النحو من المهم أن electrochemist تدرك نوعية والناجمة خصائص الكهروكيميائية الرئيسية من القطب BDD قبل استخدامها. وتصف هذه الورقة سلسلة من الخطوات التوصيف، بما في ذلك رامان المجهري، والسعة، نافذة المذيبات والأكسدة الكيمياء الكهربائية، للتأكد مما إذا القطب BDD يحتوي يذكر NDC أي لا تذكر س 2 الكربون. يتم تمييز تطبيق واحد الذي يستفيد من خاملة تحفيزياوتآكل الطبيعة مقاومة من سطح مجانا NDC-بروتون، أي المحلي مستقر وقابل للقياس وإنتاج هيدروكسيد بسبب التحليل الكهربائي للماء في القطب الاضطراب. كما وصفت نهجا لقياس التغير درجة الحموضة المحلي الناجم عن التحليل الكهربائي للماء باستخدام أكسيد إيريديوم المغلفة أقطاب هذا الاضطراب في التفاصيل.

Introduction

اختيار المواد القطب هو من أهمية كبيرة عند إجراء أي دراسة التحليل الكهربائي. في السنوات الأخيرة، س 3 الكربون (الماس) مخدر مع البورون كافية لتقديم المواد أصبحت "المعادن مثل" خيارا شعبيا لمجموعة واسعة من التطبيقات التحليل الكهربائي بسبب الكهروكيميائية الممتازة (والحرارية والميكانيكية) خصائص 1،2 (3). وتشمل هذه المقاومة للتآكل تحت الحل ودرجة الحرارة وضغط الظروف القاسية 4 نوافذ المذيبات واسعة جدا، والتيارات خلفية منخفضة، وانخفاض قاذورات، بالمقارنة مع غيرها من المواد الكهربائي تستخدم عادة 5-7،3. إلا أن زيادة غير الماس من الكربون (NDC: س 2) النتائج المحتوى في إطار المذيبات تناقص، وزيادة التيارات خلفية 7،8، والتغيرات في كل من السلامة الهيكلية والحساسية تجاه أنواع المجال الأكسدة داخلية مختلفة، على سبيل المثال. الأكسجين 12/09.

ملاحظة عن ذلكلي التطبيقات، ويعتبر وجود الحفر الوطنية كما المفيد 13. وعلاوة على ذلك، إذا لا يحتوي على مادة البورون يكفي انها سوف تتصرف على أنها نوع ف أشباه الموصلات وتظهر انخفاض حساسية لأنواع الأكسدة والاختزال في إطار المحتمل التخفيض، حيث تشتد المنضب والمواد من حاملات الشحنة 7. وأخيرا، والكيمياء سطح البورون مخدر الماس (BDD) يمكن أيضا أن تلعب دورا في الاستجابة الكهروكيميائية المرصودة. وهذا ينطبق بشكل خاص على الأنواع المجال الداخلية التي تعتبر حساسة للكيمياء السطوح وخفض الماس مخدر حيث الهيدروجين (H -) – سطح إنهاء قد جعل السلكية شبه BDD القطب تظهر "المعادن مثل" 7.

للاستفادة من خصائص متفوقة من هذا الاضطراب، فإنه غالبا ما يكون ضروريا هو مخدر المواد بما فيه الكفاية ويحتوي NDC أقل قدر ممكن. تعتمد على الطريقة المتبعة لزراعة هذا الاضطراب، ويمكن خصائص تختلف 14،15. هذه الورقة تقترح أولا المواد والمنتخبrochemical توصيف دليل بروتوكول لتقييم هذا الاضطراب الكهربائي صلاحيتها قبل استخدامها (أي البورون كافية، والحد الأدنى NDC)، ثم يصف تطبيق واحد على أساس تغيير محليا درجة الحموضة electrochemically باستخدام القطب التحقق البروتوكول. هذه العملية تستغرق الاستفادة من مرونة سطح NDC خالية BDD نحو تآكل أو حل في إطار تطبيق أقصى إمكانات تطبيقها (أو تيارات) لفترات طويلة من الزمن. ولا سيما استخدام القطب BDD لتوليد بروتون مستقرة (H +) أو هيدروكسيد (OH -) الطلاءات بسبب الكهربائي (الأكسدة أو تخفيض على التوالي) من الماء على مقربة من ثانية (استشعار) 16،17 يوصف هنا.

وبهذه الطريقة من الممكن السيطرة على البيئة الرقم الهيدروجيني للاستشعار بطريقة منهجية، على سبيل المثال للتجارب درجة الحموضة المعايرة، أو لإصلاح درجة الحموضة في قيمة حيث عملية الكهروكيميائية هي الأكثر حساسية. هذا الأخير هو مفيدة بشكل خاص للتطبيقات حيث يتم وضع أجهزة الاستشعار في المصدر، مثل الأنهار والبحيرات والبحر والرقم الهيدروجيني للنظام ليست المثلى لقياس الكهروكيميائية من الفائدة. وتشمل مثالين الأخيرة: (ط) جيل لانخفاض الرقم الهيدروجيني المحلية، في درجة الحموضة حل محايد، لالكهربي وتجريد من الزئبق 17؛ ملاحظة هذا الاضطراب هو مادة المفضلة لالكهربي للمعادن نتيجة لنافذة الكاثودية موسعة 9،18،19. (ب) الكمي لشكل اكتشاف electrochemically من كبريتيد الهيدروجين والحاضر في درجة الحموضة العالية، عن طريق زيادة محليا درجة الحموضة من الحياد إلى القلوية بقوة 16.

Protocol

ملاحظة: تزرع أقطاب هذا الاضطراب الأكثر شيوعا باستخدام تقنيات ترسيب الأبخرة الكيميائية، وتعلق على ركيزة النمو. خروجها من غرفة نمو H إنهاء (مسعور). إذا نمت سميكة بما فيه الكفاية لهذا الاضطراب يمكن إزالتها من الركيزة ويسمى قائما بذاته. وغالبا ما مصقول السطح نمو BDD قائما بذاته لخفض ك?…

Representative Results

وقد تم الحصول على أطياف رامان والكهروكيميائية الخصائص لتمثيلية BDD أقطاب macrodisc ذات الكثافة إشابة مختلفة، وكلا مستويات كبيرة وصغيرة جدا من NDC، أرقام 1 و 2. أرقام 1A و B تظهر البيانات رامان نموذجية لNDC التي تحتوي على رق?…

Discussion

بدءا من سطح منتهية O ودعا لأن سطح منتهية H غير مستقر electrochemically، وخاصة في إمكانات انوديك عالية 7،40،41. يمكن تغيير إنهاء السطح تؤثر على حركية نقل الإلكترون من الأزواج المجال الداخلية، مثل التحليل الكهربائي للماء (المستخدمة هنا لتغيير درجة الحموضة حل المحلية). وعلاو?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ونود أن نشكر الدكتور جوناثان نيولاند للصورة في الشكل 4B و لمعالجة الصور المجهر الضوئي للفيديو، وملكة جمال جنيفر ويب للحصول على المشورة وصور على قياسات زاوية الاتصال، والآنسة سزي يين تان للإطار المذيبات البيانات في الشكل 2B الدكتور مكسيم جوزيف لتقديم المشورة بشأن رامان الطيفي، وأيضا أعضاء في وارويك الكيمياء الكهربائية واجهات المجموعة الذين ساهموا في تطوير البروتوكولات المذكورة في هذه الوثيقة. كما نود أن نشكر ماكس يوسف، Lingcong منغ، زوي ايريس وروي Meyler لدورهم في تصوير البروتوكول.

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

Referenzen

  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
Diesen Artikel zitieren
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).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image