Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электрохимическая АСМ ( EC-AFM ) - это особый тип сканирующей зондовой микроскопии (SPM), который сочетает в себе классическую атомно-силовую микроскопию (AFM) с электрохимическими измерениями. EC-AFM позволяет выполнять измерения in situ в электрохимической ячейке , чтобы исследовать фактические изменения морфологии поверхности электрода во время электрохимических реакций. Таким образом, исследуется граница раздела твердое тело-жидкость. [1] Этот метод был впервые разработан в 1996 году Кузеки и др. [2], которые исследовали аморфные и поликристаллические тонкие пленки нафталоцианина.на оксид индия и олова в растворе 0,1 М хлорида калия (KCl). В отличие от электрохимического сканирующего туннельного микроскопа , ранее разработанного Итаей и Томитой в 1988 г. [3], наконечник не проводит ток, и им легко управлять в жидкой среде.

Принципы и меры предосторожности при проведении экспериментов [ править ]

Методика состоит в аппарате АСМ, объединенном с трехэлектродной электрохимической ячейкой .

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

Образец работает как рабочий электрод (WE) и должен быть токопроводящим . Зонд AFM является «пассивным» элементом, поскольку он несмещен и отслеживает изменения поверхности как функцию времени, когда к образцу прикладывается потенциал. С образцом можно провести несколько электрохимических экспериментов, таких как циклическая вольтамперометрия , импульсная вольтамперометрия и т. Д. Во время развертки потенциала через образец протекает ток и отслеживается морфология. [4]

Электрохимический элемент выполнен из пластикового материала , стойкого к различным химическим растворителям (например , серной кислоты , хлорная кислота и т.д.), с хорошей механической прочностью и низкой стоимостью изготовления. [5] Чтобы удовлетворить этим требованиям, могут использоваться различные материалы, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ) или тефлон . Проволока из платины и AgCl широко используется в качестве электрода сравнения, а проволока из платины - в качестве противоэлектрода .

Поскольку измерение выполняется в жидкой среде, необходимо принять некоторые меры предосторожности. Выбранный электролит должен быть прозрачным, чтобы лазерный луч мог достигать образца и отклоняться. Для получения правильной непрозрачности электролита, в зависимости от концентрации растворенного вещества, следует выбирать очень разбавленные растворы. При выборе подходящего электролита для измерения необходимо учитывать также возможные коррозионные воздействия на сканер АСМ, на которые могут оказывать влияние сильные кислотные растворы. Та же проблема возникает и с кантилевером АСМ . Предпочтительно выбирать наконечник АСМ со специальным покрытием, устойчивым к кислотам, например, золотым.. Жидкая среда добавляет еще одно ограничение, связанное с выбором материала наконечника, так как лазерная сумма, зарегистрированная на фотодиоде, практически не должна изменяться. Изменение показателя преломления раствора по отношению к воздуху приводит к изменению положения лазерного пятна, что требует изменения положения фотодиода.

Приложения [ править ]

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 аккумуляторов, исследования свинцово-кислотных аккумуляторов показали изменение морфологии во время циклов восстановления / окисления в CV, когда используется кислотный электролит. [6] [7] Различные эффекты коррозии широко рассматриваются при применении EC-AFM. Изучаются различные явления, от питтинговой коррозии стали [8] до растворения кристаллов . [9] Высокоориентированный пиролитический графит.(ВОПГ) широко используется в качестве электрода для ЭК-АСМ. Фактически изучаются различные поверхностные явления, от применения к литиевым батареям [10] до интеркаляции анионов, приводящей к образованию пузырей на поверхности электрода. [11] Довольно интересным приложением является нанолитография с помощью пера EC-AFM . [12] В последнее время литография на основе СЗМ привлекла внимание своей простотой и точным контролем структуры и местоположения. Новым развитием этого метода является нанолитография с погружным пером (DPN), в которой используется метод АСМ для доставки органических молекул на различные подложки, например, золото.. Использование EC-AFM позволяет изготавливать металлические и полупроводниковые наноструктуры на WE, обеспечивая высокую термическую стабильность и большее химическое разнообразие. Наконец, можно выполнять и изучать электроосаждение различных материалов на электродах, от металлов (например, меди [13] ) до полимеров , таких как полианилин (PANI). [14] [15]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тома, Франческа М .; Купер, Джейсон К .; Кунцельманн, Виктория; Макдауэлл, Мэтью Т .; Ю, Джи; Ларсон, Дэвид М .; Борис, Николай Дж .; Абелян, Кристина; Биман, Джеффри В .; Ю, родственник; Ян, Цзиньхуэй; Чен, Ле; Shaner, Matthew R .; Сперджен, Джошуа; Houle, Frances A .; Persson, Kristin A .; Шарп, Ян Д. (5 июля 2016 г.). «Механистические взгляды на химические и фотохимические превращения фотоанодов ванадата висмута» . Nature Communications . 7 : 12012. дои : 10.1038 / ncomms12012 . PMC  4935965 . PMID  27377305 .
  2. ^ Kouzeki, Takashi; Татезоно, Шинья; Янаги, Хисао (январь 1996 г.). «Электрохромизм нафталоцианиновых тонких пленок с регулируемой ориентацией». Журнал физической химии . 100 (51): 20097–20102. DOI : 10.1021 / jp962307j .
  3. ^ Итая, Кинго; Томита, Эйсуке (июль 1988 г.). «Сканирующий туннельный микроскоп для электрохимии - новая концепция для in situ сканирующего туннельного микроскопа в растворах электролитов». Наука о поверхности . 201 (3): L507 – L512. DOI : 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 на месте» . Материалы конференции AIP. 1873 . Автор (ы): 020009. doi : 10.1063 / 1.4997138 . Цитировать журнал требует |journal=( 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 измерений EC-AFM и CV на свинцовом электроде для свинцово-кислотных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 93 (1–2): 104–111. DOI : 10.1016 / S0378-7753 (00) 00554-1 .
  7. ^ Shiota, Масаси; Ямагути, Ёсиаки; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Шигета (январь 2003 г.). «Наблюдение EC-AFM in situ эффекта сурьмы для электрода из диоксида свинца». Журнал источников энергии . 113 (2): 277–280. DOI : 10.1016 / S0378-7753 (02) 00523-2 .
  8. ↑ Рейно-Ляпорт, Изабель; Вайер, Мэрилен; Кауфманн, Жан-Пьер; Эрре, Рене (1997). "Электрохимически-АСМ исследование инициирования точечной коррозии мартенситной нержавеющей стали" . Микроскопия Микроанализ микроструктур . 8 (3): 175–185. DOI : 10.1051 / ттт: 1997117 .
  9. ^ Макферсон, Джули В .; Анвин, Патрик Р .; Хиллер, Эндрю С .; 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. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / 0013-4686 (95) 00070-U .
  14. ^ Singh, Pankaj R .; Махаджан, Сумит; Раджваде, Шантану; Подрядчик, AQ (январь 2009 г.). «EC-AFM исследование обратимых изменений объема с электродным потенциалом в полианилине» . Журнал электроаналитической химии . 625 (1): 16–26. DOI : 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 на месте» . Материалы конференции AIP. 1873 . Автор (ы): 020009. doi : 10.1063 / 1.4997138 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )