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
Representative Results
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…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen graag Dr Jonathan Newland bedanken voor de foto in figuur 4B en voor het verwerken van optische microscoop beelden voor de video, Miss Jennifer Webb voor advies en visuals bij contact hoekmetingen, Miss Sze-yin Tan voor het raam oplosmiddel gegevens in Figuur 2B Dr. Maxim Joseph voor advies over Raman spectroscopie, en tevens lid van de Warwick Elektrochemie en Interfaces Group, die hebben bijgedragen tot de hierin beschreven protocollen te ontwikkelen. We willen ook graag Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres en Roy Meyler bedanken voor hun aandeel in het filmen van het protocol.
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 |
Referenzen
- 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).
- Fujishima, A. . Diamond Electrochemistry. , (2005).
- Macpherson, J. V. A practical guide to using boron doped diamond in electrochemical research. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (5), 2935-2949 (2015).
- Balmer, R. S., et al. Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (36), 364221 (2009).
- Swain, G. M., Ramesham, R. The electrochemical activity of boron-doped polycrystalline diamond thin film electrodes. Analytical Chemistry. 65 (4), 345-351 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Panizza, M., Cerisola, G. Application of diamond electrodes to electrochemical processes. Electrochimica Acta. 51 (2), 191-199 (2005).
- Williams, O. A. Nanocrystalline diamond. Diamond and Related Materials. 20 (5-6), 5-6 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boukherroub, R., et al. Photochemical oxidation of hydrogenated boron-doped diamond surfaces. Electrochemistry Communications. 7 (9), 937-940 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- Vandenabeele, P. . Practical Raman spectroscopy: an introduction. , (2013).
- Filik, J. Raman spectroscopy: a simple, non-destructive way to characterise diamond and diamond-like materials. Spectroscopy Europe. 17 (5), 10 (2005).
- Tuinstra, F., Koenig, J. L. Raman Spectrum of Graphite. The Journal of Chemical Physics. 53 (3), 1126-1130 (1970).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical methods. Fundamentals and Applications. , (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Carmody, W. R. Easily prepared wide range buffer series. Journal of Chemical Education. 38 (11), 559 (1961).
- 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).
- Burgot, J. -. L. . Ionic equilibria in analytical chemistry. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chrenko, R. Boron, the dominant acceptor in semiconducting diamond. Physical Review B. 7 (10), 4560 (1973).
- 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).
- Hammerich, O., Speiser, B. . Organic Electrochemistry. , (2015).
- Juang, R. -. S., Wang, S. -. W. Electrolytic recovery of binary metals and EDTA from strong complexed solutions. Water Research. 34 (12), 3179-3185 (2000).
- 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).
- 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).
- Chau, Y., Lum-Shue-Chan, K. Determination of labile and strongly bound metals in lake water. Water Research. 8 (6), 383-388 (1974).
