הערכה של בורון מסוממים יהלומי אלקטרודה איכות ובקשה ל<em> באתר</em> שינוי של pH המקומי על ידי אלקטרוליזה המים
Summary
פרוטוקול מתואר לאפיון של הפרמטרים אלקטרוכימיים המפתח של האלקטרודה יהלומים מסוממים (BDD) בורון ויישום שלאחר מכן בניסויי דור pH האתר.
Abstract
אלקטרודות בורון יהלומים מסוממים (BDD) הראו הבטחה רבה כחומר אלקטרודה שבו רב של נכסים דיווחו כגון חלון הוארך ממס, זרמי רקע נמוכים, עמידות בפני קורוזיה, וכו ', נובע מאופי catalytically אינרטי של פני השטח. עם זאת, אם במהלך תהליך הצמיחה, ללא יהלומים-פחמן (NDC) הופך שולב לתוך מטריצת אלקטרודה, המאפיינים אלקטרוכימי ישתנו כמשטח הופך להיות יותר catalytically פעיל. ככזה הוא חשוב כי electrochemist מודע לאיכות וכתוצאה מכך תכונות אלקטרוכימי מפתח של האלקטרודה BDD לפני השימוש. מאמר זה מתאר שורה של צעדי אפיון, כוללים מיקרוסקופיה ראמאן, קיבול, חלון הממס ואלקטרוכימיה חיזור, כדי לברר אם האלקטרודה BDD מכילה כלומר sp 2 פחמן זניח NDC זניח. יישום אחד מודגש שמנצל את אינרטי catalyticallyוהטבע עמיד בפני קורוזיה של פני השטח NDC-חופשיים כלומר פרוטונים מקומיים יציבים וכימות וייצור הידרוקסיד בשל אלקטרוליזה של מים באלקטרודה BDD. גישה למדידת שינוי pH המקומי הנגרם על ידי אלקטרוליזה מים באמצעות אלקטרודות מצופות BDD תחמוצת אירידיום גם תוארה בפירוט.
Introduction
בחירה של חומר אלקטרודה היא בעל חשיבות רבה בעת ביצוע כל מחקר electroanalytical. בשנים האחרונות, sp פחמן 3 (יהלומים) מסומם עם בורון מספיק כדי להבהיר את החומר ", כמו מתכת" הפכה בחירה פופולרית עבור מגוון רחב של יישומי electroanalytical בשל אלקטרוכימיים מצוינת (ותרמיות ומכאניות) תכונות 1,2 , 3. אלה כוללים עמידות בפני קורוזיה בתנאים קיצוניים פתרון, טמפרטורה ולחץ 4 חלונות ממס אולטרה רחבים, זרמי רקע נמוכים, ועכירות מופחתות, בהשוואה לחומרי אלקטרודה 5-7,3 נפוצים אחרים. עם זאת, ללא יהלומים-פחם הגדלת (NDC: sp 2) תוצאות תוכן בחלון ממס יורד, הגדלת זרמי רקע 7,8, שינויים בשתי השלמות המבנית והרגישות כלפי מין חיזור תחום פנימי שונה, לדוגמא. חמצן 9-12.
שים לב לכךשלי יישומים, נוכחות NDC נתפסה כיתרון 13. יתר על כן, אם החומר אינו מכיל בורון מספיק זה יתנהג כמוליכים למחצה מסוג p ולהראות רגישות מופחתת למינים חיזור בחלון הפוטנציאל המצמצם, שבו החומר הוא מדולדל ביותר של נושאי מטען 7. לבסוף, הכימיה של פני השטח של יהלום מסומם בורון (BDD) יכולה גם לשחק תפקיד בתגובה אלקטרוכימיים שנצפתה. זה נכון במיוחד עבור מיני תחום פנימיים שהם רגישים אל פני השטח כימיה ולהפחית יהלומים מסוממים בי (H -) – מימן משטח הופסק עלול להפוך אלקטרודה BDD ניצוח למחצה מופיעה "כמו-מתכת" 7.
כדי לנצל את התכונות מעולה של BDD, הוא לעתים קרובות חיוני החומר מסומם מספיק ומכיל מעט כNDC ככל האפשר. תלוי בשיטה שאומצה לגדול BDD, המאפיינים יכולים להשתנות 14,15. מאמר זה מציע חומרים ונבחרים ראשוןמדריך פרוטוקול אפיון rochemical להערכת התאמת BDD אלקטרודה לפני השימוש (כלומר בורון מספיק, NDC המינימלי) ולאחר מכן מתאר יישום אחד המבוסס באופן מקומי שינוי pH אלקטרוכימי באמצעות אלקטרודה-מאומת פרוטוקול. תהליך זה מנצל את עמידות פני השטח של NDC ללא BDD לקורוזיה או פירוק תחת יישום של פוטנציאל קיצוני מיושם (או זרמים) לפרקי זמן ארוכים. בפרט השימוש באלקטרודה BDD ליצור פרוטון יציב (+ H) או הידרוקסיד (OH -) והנתיבים בשל אלקטרוליזה (חמצון או הפחתת בהתאמה) של מים בסמיכות לשנייה (חיישן) 16,17 מתואר במסמך זה.
בדרך זו ניתן לשלוט בסביבת ה- pH של החיישן באופן שיטתי, למשל עבור ניסויי טיטרציה pH, או לתקן את ה- pH בשווי שבו התהליך אלקטרוכימי הוא רגיש ביותר. זו האחרונה היא שימושית במיוחד עבוריישומים שבם החיישן ממוקם במקור, למשל נהר, אגם, ים ואת ה- pH של המערכת הוא לא אופטימלי למדידה אלקטרוכימי של עניין. שתי דוגמאות האחרונות כוללות: דור (i) של pH הנמוך מקומי, בפתרון ניטראלי pH, לelectrodeposition והפשטה של כספית 17; לב BDD הוא חומר מועדף לelectrodeposition של מתכות בשל החלון קתודית המורחב 9,18,19. (Ii) כימות של הטופס אלקטרוכימי לזיהוי של מימן גופרתי, נכחו בpH הגבוה, על ידי מקומי להגדיל את ה- pH ניטראלי מ -16 לתוקף בסיסי.
Protocol
Representative Results
Discussion
החל עם משטח-הופסק O הוא דגל כי המשטח-הופסק H הוא אלקטרוכימי לא יציב, במיוחד בפוטנציאל anodic גבוה 7,40,41. שינוי סיום משטח יכול להשפיע על קינטיקה העברת אלקטרונים של זוגות תחום פנימיים, כגון אלקטרוליזה של מים (שימוש במסמך כדי לשנות את ה- pH הפתרון המקומי). יתר על כן, אם BDD מכ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לד"ר יונתן Newland לתצלום באיור 4 ולעיבוד תמונות מיקרוסקופ אופטיות לוידאו, מיס ג'ניפר ווב לייעוץ וחזותי על מדידות זווית מגע, מיס סזה-טו יין טאן לחלון ממס נתונים בתרשים 2B , ד"ר מקסים יוסף לקבלת ייעוץ על ספקטרוסקופיית ראמאן, וגם חברים של אלקטרוכימיה וורוויק וקבוצת ממשקים שעזרו לפתח את הפרוטוקולים שתוארו במסמך זה. כמו כן, אנו רוצים להודות למקס יוסף, Lingcong מנג, זואי איירס ורוי Meyler על חלקם במצלמים את הפרוטוקול.
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).
