Электрохимические кварцевые микровесы
Электрохимические кварцевые микровесы ( EQCM ) представляют собой комбинацию электрохимии и кварцевых микровесов , которая была создана в восьмидесятых годах. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Обычно устройство EQCM содержит часть электрохимических ячеек и часть QCM. [ 4 ] Два электрода по обе стороны кристалла кварца служат двум целям. [ 4 ] Во-первых, между двумя электродами создается переменное электрическое поле для создания генератора. [ 4 ] Во-вторых, электрод, контактирующий с электролитом, используется в качестве рабочего электрода (РЭ) вместе с противоэлектродом (КЭ) и электродом сравнения (РЕ) в потенциостатической цепи, составляющей электрохимическую ячейку. [ 4 ] Таким образом, рабочим электродом электрохимической ячейки является датчик ККМ. [ 2 ]
EQCM подходит для измерения in-situ с высокой чувствительностью к массе и подходит для мониторинга динамического отклика реакций на границе раздела электрод-раствор при приложенном потенциале. [ 5 ] При изменении потенциала металлического электрода КХМ отслеживают отрицательное или положительное изменение массы в зависимости от соотношения принятия анионов на поверхности электрода и растворения ионов металла в раствор. [ 5 ]
Калибровка EQCM
[ редактировать ]Коэффициент чувствительности EQCM K можно рассчитать путем объединения измеренной плотности заряда электрохимической ячейки и измеренного сдвига частоты QCM. [ 6 ] Коэффициент чувствительности действителен только в том случае, если изменение массы на электроде однородно. [ 6 ] В противном случае K принимается как средний коэффициент чувствительности EQCM. [ 6 ]
где – измеренный сдвиг частоты (Гц), S – активная площадь кристалла кварца (см 2 ), ρ – плотность кристалла кварца, – кварца и модуль сдвига кристалла — основная частота кристалла кварца . K — коэффициент внутренней чувствительности EQCM. [ 6 ]
В определенном растворе электролита металлическая пленка осаждается на рабочем электроде, который представляет собой поверхность датчика QCM QCM. [ 6 ]
Плотность заряда ( ) участвует в электровосстановлении ионов металлов при постоянном токе , в течение определенного периода времени ( ). [ 6 ]
Плотность активной площади рассчитывается по формуле
где — атомный вес наплавленного металла, z — электровалентность , F — постоянная Фарадея . [ 6 ]
Экспериментальная чувствительность EQCM рассчитывается путем причесывания и . [ 6 ]
Приложение EQCM
[ редактировать ]Применение EQCM в электросинтезе
[ редактировать ]EQCM можно использовать для мониторинга химической реакции, происходящей на электроде, что обеспечивает оптимизированные условия реакции путем сравнения факторов влияния в процессе синтеза. [ 7 ] В некоторых предыдущих работах уже исследовались процесс полимеризации и свойства переноса заряда. [ 8 ] рост полимерной пленки на поверхности золотого электрода, [ 9 ] и процесс полимеризации [ 10 ] полипиррола . и его производных использовался для изучения процесса электрополимеризации, а также свойств легирования/делегирования полианилиновой пленки на поверхности золотого электрода. EQCM также [ 11 ] Чтобы исследовать процесс электросинтеза , иногда необходимо комбинировать другие технологии определения характеристик, например, использование FTIR и EQCM для изучения влияния различных условий на формирование структуры пленки поли(3,4-этилендиокситиофена). [ 12 ] и использование EQCM вместе с AFM , FTIR , EIS для исследования процесса образования пленки в растворе электролита алкилкарбоната/соли лития на поверхностях электродов из драгоценных металлов. [ 13 ]
Применение EQCM при электроосаждении и растворении
[ редактировать ]EQCM широко используется для изучения процессов осаждения/растворения на поверхности электрода, таких как колебания электродного потенциала во время Cu/CuO 2 , электроосаждения слоистых наноструктур [ 14 ] кобальта и никеля процесс роста осаждения гексацианоферратов в растворе электролита нитрата кальция и нитрата бария, [ 15 ] и электрохимическое поведение магниевого электрода в растворах различных полярных апротонных электролитов. [ 16 ] EQCM можно использовать как мощный инструмент для исследования коррозии и защиты от коррозии, который обычно сочетается с другими технологиями определения характеристик. [ 5 ] В предыдущей работе с использованием EQCM и XPS изучались изменения массы электродов из сплава Fe-17Cr-33Mo/Fe-25Cr во время экспериментов по развертке потенциала и ступенчатому потенциалу в области пассивного потенциала в кислом и основном электролите. [ 17 ] В другой предыдущей работе EQCM и SEM использовались для изучения влияния пурина (PU) на коррозию медных электродов и самопроизвольное растворение в растворе электролита NaCl. [ 18 ]
Применение EQCM в адсорбции и десорбции
[ редактировать ]EQCM использовался для изучения самоорганизующихся монослоев длинноцепочечного алкилмеркаптана. [ 19 ] и алкантиол и меркаптоалкановая кислота [ 20 ] на поверхности золотого электрода.
Применение EQCM в электроде, модифицированном полимером
[ редактировать ]EQCM можно использовать для идеальной модификации полимерных мембран вместе с другими электрохимическими измерениями или методами определения характеристик поверхности. [ 7 ] Команда с помощью CV , UV-Vis , IR и EQCM изучила необратимые изменения некоторых политиофенов в процессе электрохимического восстановления в ацетонитриле . [ 21 ] Позже они с помощью АСМ и ЭИКМ исследовали рост пленки полипиррола в мицеллярном растворе анионного поверхностно-активного вещества. [ 22 ] Затем, объединив CV , UV-Vis , FTIR , ESR , они использовали EQCM для изучения проводимости и магнитных свойств 3,4-диметокси- и 3,4-этилендиокси-полипиррола и политиофена. [ 23 ]
Применение EQCM в преобразовании и хранении энергии
[ редактировать ]EQCM может использоваться для изучения процесса адсорбции и окисления молекул топлива на поверхности электрода, а также влияния электродного катализатора или других добавок на электрод, например, для оценки внутренней нагрузки полипиррола Pt в топливном элементе из композитов полипиррол/платина, [ 24 ] процесс анодирования топливных элементов метанола, [ 25 ] и электроосаждение суспендированных наночастиц оксида церия, легированных оксидом гадолиния, под действием ультразвука для Co/CeO 2 и Ni/CeO 2 . композитных топливных элементов [ 26 ] EQCM также можно использовать для изучения характеристик хранения энергии и факторов, влияющих на суперконденсаторы. [ 27 ] и электрохимические конденсаторы. Например, EQCM используется для исследования датчика движения ионов проводящего полимера конденсатора на катоде. [ 28 ] В некоторых работах изучалось применение EQCM в солнечной энергетике, которая в основном связана с аддитивными и тонкопленочными материалами, например, с использованием EQCM для изучения процесса электрохимического осаждения и стабильности катализатора выделения кислорода Co-Pi для хранения солнечной энергии. [ 29 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шумахер Р.; Борхес, Г.; Канадзава, КК (ноябрь 1985 г.). «Кварцевые микровесы: чувствительный инструмент для исследования реконструкций поверхности золотых электродов в жидкости». Письма о поверхностной науке . 163 (1): Л621–Л626. Бибкод : 1985SurSL.163L.621S . дои : 10.1016/0167-2584(85)90839-4 . ISSN 0167-2584 .
- ^ Jump up to: а б Брукенштейн, Стэнли; Шэй, Майкл (июнь 1985 г.). «Исследование in situ механизма образования монослоя адсорбированного кислорода на золотом электроде». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии . 188 (1–2): 131–136. дои : 10.1016/s0022-0728(85)80057-7 . ISSN 0022-0728 .
- ^ Канадзава, К. Кейджи; Гордон, Джозеф Г. (июль 1985 г.). «Частота кварцевых микровесов при контакте с жидкостью». Аналитическая химия . 57 (8): 1770–1771. дои : 10.1021/ac00285a062 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Jump up to: а б с д Стрейнц, Кристофер К. (1995). «Влияние тока и концентрации нитрата никеля на осаждение пленок гидроксида никеля» . Журнал Электрохимического общества . 142 (4): 1084–1089. Бибкод : 1995JElS..142.1084S . дои : 10.1149/1.2044134 . ISSN 0013-4651 . S2CID 52106125 .
- ^ Jump up to: а б с Шмутц, П.; Ландольт, Д. (декабрь 1999 г.). «Электрохимическое микробалансовое исследование кристалла кварца переходного процесса пассивного сплава Fe – 25Cr». Электрохимика Акта . 45 (6): 899–911. дои : 10.1016/s0013-4686(99)00293-5 . ISSN 0013-4686 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Габриэлли, К. (1991). «Калибровка электрохимических кварцевых микровесов». Журнал Электрохимического общества . 138 (9): 2657–2660. Бибкод : 1991JElS..138.2657G . дои : 10.1149/1.2086033 . ISSN 0013-4651 .
- ^ Jump up to: а б Ян, Сяо (ноябрь 2018 г.). «Применение электрохимических кварцевых микровесов» . Прогресс в химии . 30 (11): 1701.
- ^ Бейкер, Чарльз К.; Цю, Юн Цзянь; Рейнольдс, Джон Р. (май 1991 г.). «Электрохимически индуцированный заряд и массоперенос в молекулярных композитах полипиррол/поли(стиролсульфонат)». Журнал физической химии . 95 (11): 4446–4452. дои : 10.1021/j100164a053 . ISSN 0022-3654 .
- ^ Чунг, Сун-Ми; Пайк, Вун Ки; Йео, Ин Хён (январь 1997 г.). «Исследование первоначального роста полипиррола на золотом электроде с помощью электрохимических микровесов кристалла кварца». Синтетические металлы . 84 (1–3): 155–156. дои : 10.1016/s0379-6779(97)80690-x . ISSN 0379-6779 .
- ^ Бозе, CSC; Басак, С.; Раджешвар, К. (ноябрь 1992 г.). «Электрохимия пленок полипирролхлорида: исследование эффективности полимеризации, транспорта ионов во время окислительно-восстановительного процесса и определения уровня допирования методами электрохимической микрогравиметрии кристалла кварца, измерения pH и ионоселективных электродов». Журнал физической химии . 96 (24): 9899–9906. дои : 10.1021/j100203a059 . ISSN 0022-3654 .
- ^ Баба, Акира; Тянь, Шэнцзюнь; Стефани, Фернандо; Ся, Чуаньцзюнь; Ван, Чжэхуэй; Адвинкула, Ригоберто С; Йоханнсманн, Дитхельм; Нолл, Вольфганг (январь 2004 г.). «Электрополимеризация и легирующие/делегирующие свойства тонких пленок полианилина, изученные методами электрохимической поверхностной плазмонной спектроскопии и микровесами кристалла кварца». Журнал электроаналитической химии . 562 (1): 95–103. doi : 10.1016/j.jelechem.2003.08.012 . ISSN 1572-6657 .
- ^ Кварнстрем, К.; Нойгебауэр, Х.; Бломквист, С.; Ахонен, HJ; Канкаре, Дж.; Иваска, А. (апрель 1999 г.). «Спектроэлектрохимическая характеристика поли(3,4-этилендиокситиофена) in situ». Электрохимика Акта . 44 (16): 2739–2750. дои : 10.1016/s0013-4686(98)00405-8 . ISSN 0013-4686 .
- ^ Аурбах, Д.; Мошкович, М.; Коэн, Ю.; Шехтер, А. (апрель 1999 г.). «Исследование образования поверхностной пленки на электродах из благородных металлов в растворах алкилкарбонатов/солей лития с использованием одновременного использования in situ AFM, EQCM, FTIR и EIS». Ленгмюр . 15 (8): 2947–2960. дои : 10.1021/la981275j . ISSN 0743-7463 .
- ^ Боханнан, Эрик В.; Хуан, Лин-Юанг; Миллер, Ф. Скотт; Шумский, Марк Г.; Свитцер, Джей А. (февраль 1999 г.). «Электрохимическое микробалансовое исследование кристаллов кварца in situ потенциальных колебаний во время электроосаждения слоистых наноструктур Cu/Cu2O». Ленгмюр . 15 (3): 813–818. дои : 10.1021/la980825a . ISSN 0743-7463 .
- ^ Чен, С.-М. (март 2002 г.). «Получение, характеристика и свойства электрокаталитического окисления железа, кобальта, никеля и гексацианоферрата индия». Журнал электроаналитической химии . 521 (1–2): 29–52. дои : 10.1016/s0022-0728(02)00677-0 . ISSN 1572-6657 .
- ^ Лу, З.; Шехтер, А.; Мошкович, М.; Аурбах, Д. (май 1999 г.). «Об электрохимическом поведении магниевых электродов в растворах полярных апротонных электролитов». Журнал электроаналитической химии . 466 (2): 203–217. дои : 10.1016/s0022-0728(99)00146-1 . ISSN 1572-6657 .
- ^ Шмутц, П; Ландольт, Д. (ноябрь 1999 г.). «Микрогравиметрические исследования пассивных сплавов на месте: потенциальная развертка и потенциальные ступенчатые эксперименты с Fe–25Cr и Fe–17Cr–33Mo в кислотном и щелочном растворе». Коррозионная наука . 41 (11): 2143–2163. Бибкод : 1999Corro..41.2143S . дои : 10.1016/s0010-938x(99)00038-4 . ISSN 0010-938X .
- ^ Сцендо, М. (февраль 2007 г.). «Влияние пурина на коррозию меди в хлоридных растворах». Коррозионная наука . 49 (2): 373–390. Бибкод : 2007Corro..49..373S . дои : 10.1016/j.corsci.2006.06.022 . ISSN 0010-938X .
- ^ Шнайдер, Томас В.; Баттри, Дэниел А. (декабрь 1993 г.). «Электрохимические микробалансовые исследования кристаллов кварца адсорбции и десорбции самоорганизующихся монослоев алкилтиолов на золоте». Журнал Американского химического общества . 115 (26): 12391–12397. дои : 10.1021/ja00079a021 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Кавагути, Тошиказу; Ясуда, Хироаки; Симадзу, Кацуаки; Портер, Марк Д. (декабрь 2000 г.). «Электрохимическое кварцево-микробалансное исследование восстановительной десорбции самоорганизующихся монослоев алкантиолов и меркаптоалкановых кислот на Au». Ленгмюр . 16 (25): 9830–9840. дои : 10.1021/la000756b . ISSN 0743-7463 .
- ^ Зотти, Г.; Скьявон, Г.; Зекчин, С. (июнь 1995 г.). «Необратимые процессы электрохимического восстановления политиофенов. Химические модификации полимера и явления захвата заряда». Синтетические металлы . 72 (3): 275–281. дои : 10.1016/0379-6779(95)03280-0 . ISSN 0379-6779 .
- ^ Наой, Кацухико (1995). «Электрохимия полипирроловой пленки (I), легированной поверхностно-активными веществами: формирование столбчатой структуры путем электрополимеризации». Журнал Электрохимического общества . 142 (2): 417–422. Бибкод : 1995JElS..142..417N . дои : 10.1149/1.2044042 . ISSN 0013-4651 .
- ^ Зотти, Джанни; Зеккин, Сандро; Скьявон, Жилберто; Грёнендал, Л. «Берт» (октябрь 2000 г.). «Проводящие и магнитные свойства 3,4-диметокси- и 3,4-этилендиокси-полипиррола и политиофена». Химия материалов . 12 (10): 2996–3005. дои : 10.1021/cm000400l . ISSN 0897-4756 .
- ^ Шмидт, В.М.; Стимминг, У. (1996), «Системы топливных элементов для транспортных средств», Новые многообещающие электрохимические системы для перезаряжаемых батарей , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 233–246, doi : 10.1007/978-94-009-1643-2_17 , ISBN 978-94-010-7235-9
- ^ ВУ, К; ЧЖЭНЬ, С; ЧЖОУ, З; СОЛНЦЕ, С (февраль 2008 г.). «Электрохимическое поведение необратимо адсорбированного сурьмы на золотом электроде». Acta Physico-Chimica Sinica . 24 (2): 201–204. дои : 10.1016/s1872-1508(08)60010-8 . ISSN 1872-1508 .
- ^ Аргирусис, Хр.; Матич, С.; Шнайдер, О. (октябрь 2008 г.). «Исследование EQCM электроосаждения композитов Co/CeO2 и Ni/CeO2 с помощью ультразвука для применения в топливных элементах». Физический статус Солиди А. 205 (10): 2400–2404. Бибкод : 2008PSSAR.205.2400A . дои : 10.1002/pssa.200779409 . ISSN 1862-6300 . S2CID 123082512 .
- ^ Леви, Михаил Д.; Салитра, Григорий; Леви, Наоми; Аурбах, Дорон; Майер, Иоахим (18 октября 2009 г.). «Применение кварцевых микровесов для измерения ионных потоков в микропористом угле для хранения энергии». Природные материалы . 8 (11): 872–875. Бибкод : 2009NatMa...8..872L . дои : 10.1038/nmat2559 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 19838184 .
- ^ Фаррингтон, GC (1 июля 1991 г.). «Полимерные электролиты для литиевых батарей комнатной температуры» . дои : 10.2172/5176162 . S2CID 94438069 .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Иршад, Ахамед; Мюнхенандраиа, Нукала (11 апреля 2013 г.). «Исследование EQCM электрохимического осаждения и стабильности Co-Pi катализатора выделения кислорода для хранения солнечной энергии». Журнал физической химии C. 117 (16): 8001–8008. дои : 10.1021/jp312752q . ISSN 1932-7447 .