Электрохимический АСМ - Electrochemical AFM

Электрохимический АСМ (EC-AFM) - это особый тип Сканирующая зондовая микроскопия (SPM), сочетающий в себе классические Атомно-силовая микроскопия (AFM) вместе с электрохимический измерения. EC-AFM позволяет выполнять на месте АСМ измерения в электрохимическая ячейка, чтобы исследовать реальные изменения морфологии поверхности электродов в процессе электрохимический реакции. Таким образом, исследуется граница раздела твердое тело-жидкость.[1] Этот метод был впервые разработан в 1996 году Kouzeki et al.,[2] которые исследовали аморфные и поликристаллические тонкие пленки Нафталоцианин на Оксид индия и олова в растворе 0,1 М Хлорид калия (KCl). в отличие от Электрохимический сканирующий туннельный микроскоп, ранее разработанный Итаей и Томитой в 1988 году,[3] наконечник не токопроводящий, и им легко управлять в жидкой среде.

Принципы и экспериментальные меры предосторожности

Методика заключается в аппарате АСМ, объединенном с трехэлектродным электрохимическая ячейка.

Схема электрохимической ячейки.
Электрохимическая секция АСМ.
(а) Консоль и наконечник
(б) электрохимическая ячейка
(c) Жидкость (электролит)
(г) образец
(e) Держатель образца. Электрохимические соединения обычно размещаются под держателем образца.

Образец работает как рабочий электрод (МЫ) и должны быть проводящий. АСМ зонд является «пассивным» элементом, так как он несмещен и отслеживает изменения поверхности как функцию времени, когда к образцу прикладывается потенциал. С образцом можно провести несколько электрохимических экспериментов, например: циклическая вольтамперометрия, импульсная вольтамперометрия и т. д. Во время развертки потенциала через образец протекает ток и отслеживается морфология.[4]

В электрохимическая ячейка изготовлен из пластика, устойчивого к воздействию различных химических растворителей (например, серная кислота, хлорная кислота и т.д.), с хорошей механической прочностью и низкими затратами на изготовление.[5] Чтобы удовлетворить эти требования, можно использовать различные материалы, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ) или тефлон. Платина и проволока AgCl широко используются в качестве электрод сравнения и платина провода как противоположный электрод.

Поскольку измерение выполняется в жидкой среде, необходимо принять некоторые меры предосторожности. Избранный электролит должен быть прозрачным, чтобы позволить лазер луч, чтобы достичь образца и отклониться. Для получения правильной непрозрачности электролита в зависимости от концентрации растворенного вещества следует выбирать очень разбавленные растворы. Выбор подходящего электролит при измерении необходимо учитывать также возможные коррозионные воздействия на сканер АСМ, на которые могут повлиять сильные кислотные растворы. Та же проблема касается АСМ. консоль. Предпочтительно выбирать наконечник АСМ со специальным покрытием, устойчивым к кислотам, например золото. Жидкая среда добавляет еще одно ограничение, связанное с выбором материала наконечника, так как лазерная сумма, зарегистрированная на фотодиод должно быть почти не затронуто. Изменение в показатель преломления раствора по отношению к воздуху приводит к изменению положения лазерного пятна, что требует изменения положения фотодиода.

Приложения

EC-AFM имеет различные приложения, где мониторинг поверхности электрода во время электрохимических реакций приводит к интересным результатам. Среди приложений широко распространены исследования коррозии аккумуляторов и электродов в кислой среде. Что касается батарей, исследования на свинцово-кислотная батарея указал на изменение морфологии во время циклов восстановления / окисления в CV, когда используется кислотный электролит.[6][7]При использовании EC-AFM широко рассматриваются различные эффекты коррозии. Изучаются различные явления, от точечной коррозии стали,[8] к кристалл растворение.[9]Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) широко используется в качестве электрода для ЭК-АСМ. Фактически изучаются различные поверхностные явления, от применения до литиевых батарей.[10] интеркаляции анионов, приводящей к образованию пузырей на поверхности электрода.[11]Довольно интересное приложение - EC-AFM. Ручка для погружения нанолитография.[12] В последнее время на базе SPM литография привлекла внимание своей простотой и точным контролем конструкции и расположения. Новым развитием этой техники является ручка нанолитография (DPN), которая использует технику AFM для доставки органических молекул на различные подложки, как золото. Использование EC-AFM позволяет изготавливать металлические и полупроводниковые наноструктуры на WE, приобретая высокую термическую стабильность и большее химическое разнообразие. Наконец, можно выполнять и изучать электроосаждение различных материалов на электродах, из металлов (т.е. медь[13]) к полимеры, Такие как полианилин (ПАНИ).[14][15]

Рекомендации

  1. ^ Toma, Francesca M .; Купер, Джейсон К .; Кунцельманн, Виктория; Макдауэлл, Мэтью Т .; Ю, Джи; Ларсон, Дэвид М .; Борис, Николай Дж .; Абелян, Кристина; Биман, Джеффри У .; Ю, родственник; Ян, Цзиньхуэй; Чен, Ле; Shaner, Matthew R .; Сперджен, Джошуа; Houle, Frances A .; Persson, Kristin A .; Шарп, Ян Д. (5 июля 2016 г.). «Механистическое понимание химических и фотохимических превращений фотоанодов ванадата висмута». Nature Communications. 7: 12012. Дои:10.1038 / ncomms12012. ЧВК  4935965. PMID  27377305.
  2. ^ Кузеки, Такаши; Татезоно, Шинья; Янаги, Хисао (январь 1996 г.). «Электрохромизм нафталоцианиновых тонких пленок с регулируемой ориентацией». Журнал физической химии. 100 (51): 20097–20102. Дои:10.1021 / jp962307j.
  3. ^ Итая, Кинго; Томита, Эйсуке (июль 1988 г.). «Сканирующий туннельный микроскоп для электрохимии - новая концепция in situ сканирующего туннельного микроскопа в растворах электролитов». Наука о поверхности. 201 (3): L507 – L512. Дои:10.1016 / 0039-6028 (88) 90489-X.
  4. ^ Редженте, Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ». Материалы конференции AIP. 1873. Автор (ы): 020009. Дои:10.1063/1.4997138. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ DuPont Fluoroproducts (1996). Фторполимерная смола Teflon Ptfe: Справочник свойств. Мягкая обложка.
  6. ^ Ямагути, Ёсиаки; Сиота, Масаси; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Шигета (февраль 2001 г.). «Комбинированное исследование измерения EC-AFM и CV на свинцовом электроде для свинцово-кислотных аккумуляторов». Журнал источников энергии. 93 (1–2): 104–111. Дои:10.1016 / S0378-7753 (00) 00554-1.
  7. ^ Сиота, Масаси; Ямагути, Ёсиаки; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Шигета (январь 2003 г.). «Наблюдение на месте EC-AFM эффекта сурьмы для электрода из диоксида свинца». Журнал источников энергии. 113 (2): 277–280. Дои:10.1016 / S0378-7753 (02) 00523-2.
  8. ^ Рейно-Ляпорт, Изабель; Вайер, Мэрилен; Кауфманн, Жан-Пьер; Эрре, Рене (1997). «Электрохимически-АСМ исследование возникновения питтинговой коррозии мартенситной нержавеющей стали». Микроскопия Микроанализ Микроструктуры. 8 (3): 175–185. Дои:10.1051 / ммм: 1997117.
  9. ^ Макферсон, Джули В .; Анвин, Патрик Р .; Hillier, Andrew C .; Бард, Аллен Дж. (Январь 1996 г.). "Визуализация растворения ионных кристаллов на месте с использованием интегрированного электрохимического / АСМ зонда". Журнал Американского химического общества. 118 (27): 6445–6452. Дои:10.1021 / ja960842r. ISSN  0002-7863.
  10. ^ Domi, Y .; Ochida, M .; Tsubouchi, S .; Nakagawa, H .; Yamanaka, T .; Сделай это.; Abe, T .; Огуми, З. (20 июля 2012 г.). "Электрохимическое АСМ-наблюдение кромочной плоскости ВОПГ в электролитах на основе этиленкарбоната, содержащих пленкообразующие добавки". Журнал Электрохимического общества. 159 (8): A1292 – A1297. Дои:10.1149 / 2.059208jes.
  11. ^ Буссетти, Джанлоренцо; Ивлиалин, Росселла; Аллиата, Дарио; Ли Басси, Андреа; Кастильони, Кьяра; Томмазини, Маттео; Касари, Карло Спартако; Пассони, Маттео; Бьяджони, Паоло; Чиккаччи, Франко; Дуо, Ламберто (10 марта 2016 г.). «Выявление ранних стадий электрохимической интеркаляции анионов в графите с помощью комбинированной атомно-силовой микроскопии / сканирующей туннельной микроскопии». Журнал физической химии C. 120 (11): 6088–6093. Дои:10.1021 / acs.jpcc.6b00407. HDL:11311/981354.
  12. ^ Ли, Ян; Мэйнор, Бенджамин У .; Лю, Цзе (март 2001 г.). "Электрохимический АСМ" Dip-Pen "Нанолитография". Журнал Американского химического общества. 123 (9): 2105–2106. Дои:10.1021 / ja005654m.
  13. ^ Koinuma, M .; Уосаки, К. (июль 1995 г.). «Электрохимическое АСМ исследование электроосаждения меди на поверхность p-GaAs (100) в растворе HCl». Electrochimica Acta. 40 (10): 1345–1351. Дои:10.1016 / 0013-4686 (95) 00070-У.
  14. ^ Singh, Pankaj R .; Махаджан, Сумит; Раджваде, Шантану; Подрядчик, A.Q. (Январь 2009 г.). «EC-AFM исследование обратимых изменений объема с электродным потенциалом в полианилине». Журнал электроаналитической химии. 625 (1): 16–26. Дои:10.1016 / j.jelechem.2008.10.005.
  15. ^ Редженте, Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ». Материалы конференции AIP. 1873. Автор (ы): 020009. Дои:10.1063/1.4997138. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)