Электрохимический АСМ

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

Принципы и экспериментальные меры предосторожности

Методика заключается в использовании аппарата АСМ, интегрированного с трехэлектродной электрохимической ячейкой .

Электрохимический участок АСМ.
(а) Кантилевер и наконечник
(б) электрохимическая ячейка
(в) Жидкость (электролит)
(г) образец
(д) Держатель образца. Электрохимические соединения обычно размещаются под держателем образца.

Образец работает как рабочий электрод (МЭ) и должен быть проводящим . АСМ Зонд является «пассивным» элементом, поскольку он несмещен и отслеживает изменения поверхности в зависимости от 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 ]}

Электрохимическая ячейка изготовлена из пластика, устойчивого к различным химическим растворителям (например, серной кислоте , хлорной кислоте и т. д.), с хорошей механической стойкостью и низкой стоимостью изготовления. ^{[ 5 ]} Чтобы удовлетворить этим требованиям, можно использовать различные материалы, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ) или тефлон . Платиновая проволока и проволока AgCl широко используются в качестве электрода сравнения , а платиновая проволока - в качестве противоэлектрода .

Поскольку измерение проводится в жидкой среде, необходимо принять некоторые меры предосторожности. Выбранный электролит должен быть прозрачным, чтобы лазерный луч мог достичь образца и отклониться. Для обеспечения правильной мутности электролита, в зависимости от концентрации растворенного вещества, следует выбирать сильно разбавленные растворы. При выборе подходящего электролита для измерения необходимо учитывать также возможное коррозионное воздействие на АСМ-сканер, на которое могут влиять растворы сильных кислот. AFM Та же проблема касается и кантилевера . Предпочтительно выбирать наконечник АСМ со специальным покрытием, устойчивым к кислотам, например золотом . Жидкая среда добавляет еще одно ограничение, связанное с выбором материала иглы, поскольку на сумму лазерного излучения, регистрируемую на фотодиоде, почти не должно влияться. Изменение показателя преломления раствора по отношению к воздуху приводит к изменению положения лазерного пятна, что приводит к необходимости перестановки фотодиода.

Приложения

EC-AFM имеет различные применения, 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. Изучены различные явления: от питтинговой коррозии стали, ^{[ 8 ]} к растворению кристаллов . ^{[ 9 ]} Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) широко используется в качестве электрода для ЭХ-АСМ. Фактически изучаются различные поверхностные явления, начиная от применения в литиевых батареях. ^{[ 10 ]} интеркаляция анионов, приводящая к образованию пузырей на поверхности электрода. ^{[ 11 ]} EC-AFM Довольно интересным применением является нанолитография Dip-ручкой . ^{[ 12 ]} на основе СЗМ В последнее время литография привлекла внимание благодаря своей простоте и точному контролю структуры и местоположения. Новой разработкой этого метода является нанолитография пером (DPN), которая использует метод AFM для доставки органических молекул на различные подложки, такие как золото . Использование ЭХ-АСМ позволяет изготавливать металлические и полупроводниковые наноструктуры на МЭ, приобретая высокую термическую стабильность и большее химическое разнообразие. Наконец, можно проводить и изучать электроосаждение различных материалов на электроды, из металлов (т.е. меди ^{[ 13 ]}) к полимерам , таким как полианилин (ПАНИ). ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Ссылки

^ Тома, Франческа М.; Купер, Джейсон К.; Кунцельманн, Виктория; Макдауэлл, Мэтью Т.; Ю, Цзе; Ларсон, Дэвид М.; Борис, Николай Дж.; Абелян, Кристина; Биман, Джеффри В.; Ю, Родственник; Ян, Цзиньхуэй; Чен, Ле; Шанер, Мэтью Р.; Сперджен, Джошуа; Хоул, Фрэнсис А.; Перссон, Кристин А.; Шарп, Ян Д. (5 июля 2016 г.). «Механистическое понимание химических и фотохимических превращений фотоанодов ванадата висмута» . Природные коммуникации . 7 : 12012. дои : 10.1038/ncomms12012 . ПМЦ 4935965 . ПМИД 27377305 .
^ Коузэки, Такаши; Татезоно, Шинья; Янаги, Хисао (январь 1996 г.). «Электрохромизм тонких пленок нафталоцианина с контролируемой ориентацией». Журнал физической химии . 100 (51): 20097–20102. дои : 10.1021/jp962307j .
^ Итайя, Кинго; Томита, Эйсуке (июль 1988 г.). «Сканирующий туннельный микроскоп для электрохимии - новая концепция сканирующего туннельного микроскопа in situ в растворах электролитов». Поверхностная наука . 201 (3): L507–L512. дои : 10.1016/0039-6028(88)90489-X .
^ Регент Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ» . Материалы конференции AIP. 1873 год . Автор(ы): 020009. doi : 10.1063/1.4997138 . hdl : 2108/248223 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Дюпон Фторпродукты (1996). Фторполимерная смола с тефлоном и ПТФЭ: Справочник свойств . Мягкая обложка.
^ Ямагучи, Ёсиаки; Сиота, Масаси; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Сигета (февраль 2001 г.). «Комбинированное исследование измерений EC-AFM и CV на месте на свинцовом электроде для свинцово-кислотных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 93 (1–2): 104–111. дои : 10.1016/S0378-7753(00) 00554-1
^ Сиота, Масаси; Ямагучи, Ёсиаки; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Сигета (январь 2003 г.). «Наблюдение in situ EC-AFM эффекта сурьмы для электрода из диоксида свинца». Журнал источников энергии . 113 (2): 277–280. дои : 10.1016/S0378-7753(02)00523-2 .
^ Рейно-Лапорт, Изабель; Вайер, Мэрилен; Кауфманн, Жан-Пьер; Эрре, Рене (1997). «Электрохимическое АСМ-исследование инициирования питтинговой коррозии мартенситной нержавеющей стали» . Микроскопия Микроанализ Микроструктуры . 8 (3): 175–185. дои : 10.1051/ммм:1997117 .
^ Макферсон, Джули В.; Анвин, Патрик Р.; Хиллер, Эндрю С.; Бард, Аллен Дж. (январь 1996 г.). «Визуализация растворения ионных кристаллов in-situ с использованием интегрированного электрохимического / АСМ-зонда». Журнал Американского химического общества . 118 (27): 6445–6452. дои : 10.1021/ja960842r . ISSN 0002-7863 .
^ Доми, Ю.; Очида, М.; Цубоучи, С.; Накагава, Х.; Яманака, Т.; Дой, Т.; Абэ, Т.; Огуми, З. (20 июля 2012 г.). «Электрохимическое АСМ-наблюдение плоскости края ВОПГ в электролитах на основе этиленкарбоната, содержащих пленкообразующие добавки». Журнал Электрохимического общества . 159 (8): А1292–А1297. дои : 10.1149/2.059208jes .
^ Буссетти, Джанлоренцо; Йивлиалин, Скарлетт; Аллиата, Дарио; Ли Басси, Андреа; Кастильони, Кьяра; Томмазини, Маттео; Казари, Карло Спартако; Пассони, Маттео; Бьяджони, Паоло; Чикаччи, Франко; Дуо, Ламберто (10 марта 2016 г.). «Раскрытие ранних стадий электрохимической интеркаляции анионов в графите с помощью комбинированного подхода атомно-силовой микроскопии/сканирующей туннельной микроскопии». Журнал физической химии С. 120 (11): 6088–6093. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b00407 . hdl : 11311/981354 .
^ Ли, Ян; Мейнор, Бенджамин В.; Лю, Цзе (март 2001 г.). «Электрохимическая АСМ «Dip-Pen» нанолитография». Журнал Американского химического общества . 123 (9): 2105–2106. дои : 10.1021/ja005654m . ПМИД 11456853 .
^ Коинума, М.; Уосаки, К. (июль 1995 г.). «Электрохимическое АСМ-исследование электроосаждения меди на поверхность p-GaAs (100) в растворе HCl». Электрохимика Акта . 40 (10): 1345–1351. дои : 10.1016/0013-4686(95)00070-У .
^ Сингх, Панкадж Р.; Махаджан, Сумит; Раджваде, Шантану; Подрядчик, AQ (январь 2009 г.). «EC-AFM исследование обратимых изменений объема в зависимости от электродного потенциала в полианилине» . Журнал электроаналитической химии . 625 (1): 16–26. дои : 10.1016/j.jelechem.2008.10.005 .
^ Регент Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ» . Материалы конференции AIP. 1873 год . Автор(ы): 020009. doi : 10.1063/1.4997138 . hdl : 2108/248223 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1] Тома, Франческа М.; Купер, Джейсон К.; Кунцельманн, Виктория; Макдауэлл, Мэтью Т.; Ю, Цзе; Ларсон, Дэвид М.; Борис, Николай Дж.; Абелян, Кристина; Биман, Джеффри В.; Ю, Родственник; Ян, Цзиньхуэй; Чен, Ле; Шанер, Мэтью Р.; Сперджен, Джошуа; Хоул, Фрэнсис А.; Перссон, Кристин А.; Шарп, Ян Д. (5 июля 2016 г.). «Механистическое понимание химических и фотохимических превращений фотоанодов ванадата висмута» . Природные коммуникации . 7 : 12012. дои : 10.1038/ncomms12012 . ПМЦ 4935965 . ПМИД 27377305 .

[2] Коузэки, Такаши; Татезоно, Шинья; Янаги, Хисао (январь 1996 г.). «Электрохромизм тонких пленок нафталоцианина с контролируемой ориентацией». Журнал физической химии . 100 (51): 20097–20102. дои : 10.1021/jp962307j .

[Itaya_Tomita-3] Итайя, Кинго; Томита, Эйсуке (июль 1988 г.). «Сканирующий туннельный микроскоп для электрохимии - новая концепция сканирующего туннельного микроскопа in situ в растворах электролитов». Поверхностная наука . 201 (3): L507–L512. дои : 10.1016/0039-6028(88)90489-X .

[4] Регент Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ» . Материалы конференции AIP. 1873 год . Автор(ы): 020009. doi : 10.1063/1.4997138 . hdl : 2108/248223 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[5] Дюпон Фторпродукты (1996). Фторполимерная смола с тефлоном и ПТФЭ: Справочник свойств . Мягкая обложка.

[6] Ямагучи, Ёсиаки; Сиота, Масаси; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Сигета (февраль 2001 г.). «Комбинированное исследование измерений EC-AFM и CV на месте 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; Ямагучи, Ёсиаки; Накаяма, Ясухидэ; Хираи, Нобумицу; Хара, Сигета (январь 2003 г.). «Наблюдение in situ 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-Лапорт, Изабель; Вайер, Мэрилен; Кауфманн, Жан-Пьер; Эрре, Рене (1997). «Электрохимическое АСМ-исследование инициирования питтинговой коррозии мартенситной нержавеющей стали» . Микроскопия Микроанализ Микроструктуры . 8 (3): 175–185. дои : 10.1051/ммм:1997117 .

[9] Макферсон, Джули В.; Анвин, Патрик Р.; Хиллер, Эндрю С.; Бард, Аллен Дж. (январь 1996 г.). «Визуализация растворения ионных кристаллов in-situ с использованием интегрированного электрохимического / АСМ-зонда». Журнал Американского химического общества . 118 (27): 6445–6452. дои : 10.1021/ja960842r . ISSN 0002-7863 .

[10] Доми, Ю.; Очида, М.; Цубоучи, С.; Накагава, Х.; Яманака, Т.; Дой, Т.; Абэ, Т.; Огуми, З. (20 июля 2012 г.). «Электрохимическое АСМ-наблюдение плоскости края ВОПГ в электролитах на основе этиленкарбоната, содержащих пленкообразующие добавки». Журнал Электрохимического общества . 159 (8): А1292–А1297. дои : 10.1149/2.059208jes .

[Bussetti16-11] Буссетти, Джанлоренцо; Йивлиалин, Скарлетт; Аллиата, Дарио; Ли Басси, Андреа; Кастильони, Кьяра; Томмазини, Маттео; Казари, Карло Спартако; Пассони, Маттео; Бьяджони, Паоло; Чикаччи, Франко; Дуо, Ламберто (10 марта 2016 г.). «Раскрытие ранних стадий электрохимической интеркаляции анионов в графите с помощью комбинированного подхода атомно-силовой микроскопии/сканирующей туннельной микроскопии». Журнал физической химии С. 120 (11): 6088–6093. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b00407 . hdl : 11311/981354 .

[12] Ли, Ян; Мейнор, Бенджамин В.; Лю, Цзе (март 2001 г.). «Электрохимическая АСМ «Dip-Pen» нанолитография». Журнал Американского химического общества . 123 (9): 2105–2106. дои : 10.1021/ja005654m . ПМИД 11456853 .

[13] Коинума, М.; Уосаки, К. (июль 1995 г.). «Электрохимическое АСМ-исследование электроосаждения меди на поверхность p-GaAs (100) в растворе HCl». Электрохимика Акта . 40 (10): 1345–1351. дои : 10.1016/0013-4686(95)00070-У .

[14] Сингх, Панкадж Р.; Махаджан, Сумит; Раджваде, Шантану; Подрядчик, AQ (январь 2009 г.). «EC-AFM исследование обратимых изменений объема в зависимости от электродного потенциала в полианилине» . Журнал электроаналитической химии . 625 (1): 16–26. дои : 10.1016/j.jelechem.2008.10.005 .

[15] Регент Мелания; Пассери, Даниэле; Росси, Марко; Тамбурри, Эмануэла; Терранова, Мария Летиция (2017). «Электрохимическая атомно-силовая микроскопия: мониторинг электрохимических процессов in situ» . Материалы конференции AIP. 1873 год . Автор(ы): 020009. doi : 10.1063/1.4997138 . hdl : 2108/248223 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]