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Química

붕소 도핑 다이아몬드 전극 품질 및 응용 프로그램에 대한 평가<em> 현장에서</em> 물 전기 분해에 의해 지역의 pH 수정

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

Summary

프로토콜 시츄 산도 생성 실험에 대한 붕소 도핑 된 다이아몬드 (BDD) 전극 및 후속 출원의 주요 전기 파라미터의 특성에 대해 설명한다.

Abstract

붕소 도핑 된 다이아몬드 (BDD) 전극 등 연장 용매 창 낮은 배경 전류, 내식성, 그들의보고 된 많은 특성은 표면의 촉매 불활성 자연에서 발생하는 전극 재료로서 상당한 가능성을 보여 주었다. 성장 공정 동안, 비 다이아몬드 탄소 (NDC)의 전극 매트릭스에 혼입 될 경우 표면이 더해진다 촉매 활성 그러나, 전기 화학적 특성이 변경된다. 따라서 그것은 electrochemist의 품질을 인식하고 사용 전에 BDD 전극의 전기 화학적 특성 키를 생성하는 것이 중요하다. 본 논문은 BDD 전극을 무시할 NDC 즉 무시할 SP 2 탄소가 포함되어 있는지 여부를 확인하기 위해, 라만 현미경, 용량, 용매 창 및 산화 환원 전기 화학을 포함하여 특성화 단계의 시리즈를 설명합니다. 하나의 응용은 촉매 불활성 활용되는 강조및 NDC없는 표면의 부식 방지 특성으로 인해 BDD 전극에서 물 전기 분해에 안정적이고 정량화 지역 양성자와 수산화 생산을 즉. 산화 이리듐 코팅 BDD 전극을 이용하여 물을 전기 분해에 의해 유도 된 로컬 pH 변화를 측정하는 방법도 상세히 설명한다.

Introduction

어떤 electroanalytical 조사를 실시 할 때의 전극 재료의 선택은 매우 중요하다. 최근 몇 년 동안, SP 3 탄소 (다이아몬드) 재질을 렌더링 할 수있는 충분한 붕소 도핑 "금속 등"으로 인해 우수한 전기 (열 및 기계적) 특성 1,2에 electroanalytical 다양한 애플리케이션을위한 인기있는 선택이되었다 3. 이들은 일반적으로 사용되는 전극 재료 5-7,3에 비해 극단적 부식 용액, 온도 및 압력 조건 4 초광각 용매 창문, 낮은 배경 전류 이하의 저항, 및 감소 된 오염을 포함한다. 그러나, 증가하는 비 다이아몬드 탄소 (NDC : SP 2) 예를 들면 배경 전류 7,8, 다른 내부 구 독스 종 방향 모두 구조적 완전성과 감도 변화, 증가 감소 용매 창의 콘텐츠 결과. 산소 9-12.

그래서 참고 사항나 응용 프로그램은, NDC 존재는 유리 (13)로 볼 수있다. 재료는 충분한 붕소를 포함하지 않는 경우는 또한, p 형 반도체로서 행동하고 재료가 가장 전하 캐리어 (7)의 고갈을 환원 전위 창에서 산화 환원 종의 환원에 대한 민감도를 보여준다. 마지막으로, 붕소 도핑 된 다이아몬드 표면 화학 (BDD)도 관측 전기 화학 반응에 역할을 할 수있다. 이 수소 (H -) – 어디 화학 표면 및 도핑 다이아몬드를 낮출 민감한 내부 구 종에 특히 사실이다 종료 표면이 반 실시 BDD 전극을 표시 할 수있다 "금속 같은"7.

BDD의 우수한 특성을 활용하기 위해, 물질이 충분히 도핑되어 종종 필수적이며 가능한 한 적은 NDC를 포함한다. BDD 성장 채택 된 방법에 따라, 속성은 14, 15을 다를 수 있습니다. 이 논문은 먼저 재료와 당선자를 제안다음 사용하기 전에 BDD 전극 적합성 (즉 충분한 붕소, 최소 NDC)를 평가하고 대한 rochemical 특성 프로토콜 가이드는 로컬 전기 프로토콜 검증 된 전극을 사용하여 pH를 변화를 기반으로 한 응용 프로그램에 대해 설명합니다. 이 프로세스는 장시간 극한인가 전위 (또는 전류)의인가 하에서 부식 또는 용해 향해 NDC없는 BDD의 표면 탄성을 이용한다. 특히 BDD 전극의 사용은 안정한 양성자 (H의 +) 또는 히드 록 시드를 생성하기 위해 (OH -) (16, 17)는 본 명세서에서 설명되는 제 2 (센서)에 근접 물의 전기 (각각 산화 또는 환원)에 의한 플럭스.

이러한 방식으로 그것의 pH 적정 실험 예 체계적으로 센서의 pH 환경을 제어하기 위해, 또는 전기 화학적 프로세스가 가장 민감 값으로 pH를 고정 할 수있다. 후자는 특히 유용센서는 소스, 예를 들어 강, 호수, 바다 및 시스템의 pH에 배치되는 애플리케이션의 관심 전기 화학적 측정을위한 최적이 아니다. 두 가지 최근의 예는 다음과 같습니다 전착 및 수은 (17)의 제거를위한 pH가 중성 용액에서 지역화 된 낮은 pH의 (I) 세대,; BDD 인해 확장 된 음극 창 9,18,19에 금속의 전착에 대한 선호하는 소재되어 있습니다. (ⅱ) 로컬 중성 강알칼리 (16)로부터의 pH를 증가시킴으로써 높은 pH에서 본 황화수소의 전기 화학적 검출 가능한 형태의 정량.

Protocol

주 : BDD 전극이 가장 일반적으로 성장 기판에 부착 된 화학 기상 증착 기술을 사용하여 성장된다. 그들은 성장 챔버 H-종료 (소수성)을 둡니다. 충분히 두꺼운 경우 성장 BDD는 기판으로부터 제거 될 수 있고, 프리 스탠딩 불린다. 자립 BDD 성장 표면은 종종 크게 표면 거칠기를 줄이기 위해 연마된다. 산소 산 결과에 BDD 청소 (O)로 끝나는 표면. 1. 산성 청소 BDD 진한 황산의 비커 장소 (H <s…

Representative Results

라만 스펙트럼 및 전기 화학적 특성이 상이한 도펀트 밀도 대표 BDD의 macrodisc 전극에 대해 획득하고, NDC 상당한 무시할 수준, 모두 1, 2를 도시한다.도 1a 및 B 쇼 전형적인 라만 데이터 박막 미세 BDD 큰 그레인 NDC가 함유위한 자립 BDD는 각각 금속 임계치 이상 도핑. NDC의 존재는 1400과 1,600cm -1 사이의 레?…

Discussion

H-종료 표면이 특히 높은 양극 전위 7,40,41에서, 전기 화학적으로 불안정하기 때문에 O-종료 표면 시작은 주장한다. 표면 종단 변경 등 (로컬 용액의 pH를 변경하는 것으로 사용) 물의 전기 같은 내부 구 쌍의 전자 전달 반응 속도에 영향을 미칠 수있다. BDD 곡물 경계에서 중요한 NDC가 포함되어있는 경우 또한, 극단적 인 양극의 응용 프로그램에 / 음극 잠재력이 약한 지점에서 발생할 수있는 ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 그림 (b)에서 사진과 비디오, 미스 제니퍼 웹의 접촉각 측정에 대한 조언과 비주얼을 위해 광학 현미경 이미지를 처리하기 위해 박사 조나단 Newland 감사드립니다, 그림 2B에서 미스 크기 씨 – 음 탄 용매 창에 대한 데이터 박사 맥심 조셉 라만 분광법에 대한 조언, 그리고 여기에 기술 된 프로토콜을 개발하는 데 도움이 워릭 전기 화학 및 인터페이스 그룹의 또한 회원. 우리는 또한 프로토콜 촬영에서 자신의 일부를 최대 요셉, Lingcong 멩, 조이 아이레스와 로이 Meyler에게 감사의 말씀을 전합니다.

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
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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).

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

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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).
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