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

Bor Katkılı Elmas Elektrot Kalite ve Uygulamaya değerlendirilmesi<em> In Situ</em> Su Elektroliz ile Yerel pH Modifikasyonu

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

Summary

Bir protokol in situ pH üretimi deneylerinde bir bor kaplı elmas (BDD), elektrot ve bir sonraki uygulamaya önemli elektrokimyasal parametrelerin tanımlanması için tarif edilmektedir.

Abstract

Bor kaplı elmas (BDD), elektrotlar vb uzatılmış çözücü pencere, düşük arka plan akımları, korozyon direnci, olarak belirtilen özelliklerinden çoğunun yüzey katalitik olarak atıl doğasından kaynaklanan bir elektrot malzemesi olarak önemli ölçüde söz göstermiştir. Büyüme süreci sırasında olmayan bir elmas-karbon (NDC), elektrot matris içine dahil edilmekte, eğer yüzey daha fazla katalitik olarak aktif hale gelir, ancak, elektrokimyasal özellikleri değişir. Bu nedenle bu electrochemist kalitesi haberdar ve kullanımdan önce BDD elektrotun önemli elektrokimyasal özelliklerinin elde edilen olması önemlidir. Bu yazıda BDD elektrot önemsiz NDC yani önemsiz sp 2 karbon içerip içermediğini anlamak için, Raman mikroskobu, kapasite, çözücü pencere ve redoks elektrokimya dahil karakterizasyon adımlar, bir dizi anlatılmaktadır. Bir uygulama katalitik atıl yararlanır hangi vurgulanırve NDC-serbest yüzey korozyona dayanıklı yapısı nedeniyle BDD elektrodun su elektroliz kararlı ve ölçülebilir yerel proton ve hidroksit üretimi yani. Iridyum oksit kaplı BDD elektrodlar kullanılarak, su elektroliz bağlı lokal pH değişikliği ölçmek için bir yaklaşım, detaylı bir şekilde tarif edilmektedir.

Introduction

Herhangi bir Elektroanalitik çalışma yaparken elektrot malzemesinin seçimi büyük önem taşımaktadır. Son yıllarda, sp 3 karbon (elmas) malzemeyi işlemek için yeterli bor katkılı "metal benzeri" nedeniyle mükemmel elektrokimyasal (termal ve mekanik) özelliklerine 1,2 ile elektroanalitik geniş bir uygulama yelpazesi için popüler bir seçenek haline gelmiştir 3. Bu yaygın olarak kullanılan diğer elektrot malzemeleri 5-7,3 karşılaştırıldığında korozyona karşı aşırı çözeltisi, sıcaklık ve basınç koşulları 4 ultra geniş bir çözücü camlar, düşük arka plan akımlarında direnci ve düşük birikme sonucu tıkanma, içerir. Ancak, artan sigara elmas karbon (NDC: sp 2), örneğin arka plan akımlar 7,8, farklı iç küre redoks türlerine karşı hem yapısal bütünlük ve duyarlılık değişikliklere giderek artan azalan çözücü pencerede içerik sonuçları. Oksijen 9-12.

Öylesine için notBana uygulamaları, NDC varlığı avantajlı 13 olarak görülüyor. Bir malzeme yeterli boron içermiyorsa Ayrıca, bir p-tipi yarı iletken olarak davranırlar ve malzeme en yük taşıyıcıların 7 tüketilir indirgeyici potansiyel penceresinde redoks türleri, azaltılmış hassasiyet gösterir. Son olarak, bor katkılı elmas yüzey kimyası (BDD) ayrıca gözlenen elektrokimyasal yanıt olarak bir rol oynayabilir. Bu, bir hidrojen (H -) – burada yüzey kimyasına ve anılan elmas alt duyarlı olan iç kürenin türler için geçerlidir sona yüzeyi yarı iletken BDD elektrot görünür hale getirebilir "metal-benzeri" 7.

BDD üstün özelliklerinden yararlanmak için, malzeme yeterince katkılı genellikle önemlidir ve mümkün olduğunca az rülmesi, içerir. BDD büyümek için kabul yönteme bağlı olarak, özellikleri 14,15 değişebilir. Bu kağıt ilk malzeme ve bir seçecek önerirsonra kullanımdan önce BDD elektrot uygunluğu (yani yeterli bor, minimal NDC) değerlendirilmesi ve için rochemical karakterizasyonu protokol kılavuzu yerel elektrokimyasal protokol doğrulanmış elektrodu kullanılarak pH'ı değiştirerek dayalı bir uygulama açıklanır. Bu süreç uzun bir süre için aşırı uygulanan potansiyeller (ya da akımlar) uygulaması kapsamında korozyon veya dağılması yönünde NDC-free BDD yüzey esneklik yararlanır. Özellikle, BDD elektrotun kullanılması stabil proton (H +) ya da hidroksit oluşturmak için (OH -) 16,17, burada tarif edilen bir ikinci (sensör) çok yakın bir suyun elektrolizi (sırasıyla oksitlenme ya da indirgeme) nedeniyle akıları.

Bu şekilde, pH titrasyon deneyleri için, örneğin sistemli bir şekilde sensörün pH ortamı kontrol etmek veya elektrokimyasal süreç en hassas olduğu pH değeri düzeltmek mümkündür. Ikincisi için özellikle yararlıdırSensör kaynağı, örneğin akarsu, göl, deniz ve sistemin pH yerleştirilir uygulamaları ilgi elektrokimyasal ölçümü için optimal değildir. İki son örnekleri şunlardır: elektro ve cıva 17 sıyırma bir pH nötr çözelti içinde lokalize bir düşük pH (i) üretim,; BDD nedeniyle genişletilmiş katodik pencereye 9,18,19 metallerin elektro için tercih edilen bir malzeme olduğunu unutmayın. (ii) yerel olarak nötr kuvvetli alkalin 16'dan pH'ı artırarak yüksek pH mevcut hidrojen sülfür, bir elektrokimyasal saptanabilir formunun miktarının belirlenmesi.

Protocol

Not: BDD elektrotlar en yaygın olarak bir büyütme alt-tabakası eklenmiş kimyasal buhar depozisyon teknikleri kullanılarak yetiştirilir. Onlar büyüme odasına H sonlandırılmış (hidrofobik) bırakın. Yeterince kalın yetiştirilen durumunda BDD substrattan çıkarılabilir ve desteksiz olarak adlandırılır. Duran BDD büyüme yüzeyi genellikle önemli ölçüde yüzey sertliğine azaltmak için parlatılır. Bir oksijen asit sonuçlarında BDD Temizleme (O) -terminated yüzey. 1. Asit Temizleme BDD …

Representative Results

Raman ve elektrokimyasal özellikleri farklı takviye yoğunlukları ile temsili BDD macrodisc elektrotlar elde edilmiştir ve NDC önemli ve önemsiz düzeyleri, hem 1 ve 2 Şekil. Şekil 1A ve B gösterisi tipik Raman verileri ince film mikrokristalin BDD ve daha büyük tahıl NDC içeren için bağlantısız BDD, sırasıyla, metalik eşiğinin üzerinde katkılı. NDC varlığı 1400 ve 1600 cm -1 arasın…

Discussion

H-sonlandırılmış yüzey özellikle yüksek anodik potansiyellerde 7,40,41 de, elektrokimyasal kararsız olduğu için bir O-sonlandırılmış yüzeyi ile başlayan savunulmaktadır. Yüzey sonlandırma değiştirilmesi gibi (yerel çözelti pH'ı değiştirmek için burada kullanılan) su elektroliz olarak iç küre çiftler, elektron transferi kinetik etkileyebilir. BDD tanecik sınırlarında önemli NDC içeriyorsa Ayrıca, aşırı anodik uygulanması üzerine / katodik potansiyelleri bu zayıf n…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz Şekil 4B fotoğraf için ve video, Bayan Jennifer Webb temas açısı ölçümleri tavsiye ve görseller için için optik mikroskop görüntü işleme için Dr. Jonathan Newland teşekkür etmek istiyorum, Şekil 2B'de Bayan Sze-yin Tan çözücü pencere verileri Dr Maxim Joseph Raman spektroskopisi tavsiye ve burada tarif edilen protokoller geliştirmek için yardımcı olan Warwick Elektrokimyada ve Arayüzler Grubu da üyeleri için. Biz de protokol filme kendi bölümü için Max Joseph, Lingcong Meng, Zoe Ayres ve Roy Meyler teşekkür etmek istiyorum.

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