Diese Arbeit wurde durch Anschubfinanzierungen der University of Louisville und durch Mittel der Oak Ridge Associated Universities durch einen Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award unterstützt. Die Autoren danken Dr. Ki-Hyun Cho für die Erstellung des Bildes in Abbildung 1. Die Metallabscheidung und das REM wurden am Micro/Nano Technology Center der University of Louisville durchgeführt.

Analyse des heterogenen Verhaltens einzelner Nanopartikel mit elektrochemischen Methoden

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Das Abscheiden von dünnen Cu- und Ag-Metallfilmen auf sauberen Deckgläsern ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die endgültige Folie eine Rauheit von nicht mehr als zwei bis vier Atomlagen aufweist (oder eine mittlere quadratische Rauheit von weniger als oder gleich etwa 0,7 nm). Staub, Kratzer und Schmutz auf dem Deckglas vor der Metallabscheidung sind häufige Probleme, die die Herstellung der glatten Folie verhindern, die zur Erzeugung donutförmiger Emissionsmuster erforderlich ist. Daher emp...

Die Elektrochemie ist eine wichtige Messwissenschaft zur Untersuchung von Ladungstransfer, Ladungsspeicherung, Stofftransport usw. mit Anwendungen in verschiedenen Disziplinen, darunterBiologie, Chemie, Physik und Ingenieurwesen 1,2,3,4,5,6,7 . Herkömmlicherweise umfasst die Elektrochemie Messungen über ein Ensemble – eine große Ansammlung von Einzeleinheiten wie Molekülen, kristallinen Domänen, Nanopartikeln und Oberflächenstellen. Das Verständnis, wie solche einzelnen Entitäten zu ensemblegemittelten Antworten beitragen, ist jedoch aufgrund der Heterogenität der Elektrodenoberflächen in komplexen elektrochemischen Umgebungen der Schlüssel zu neuen grundlegenden und mechanistischen Erkenntnissen in der Chemie und verwandten Bereichen 8,9. Zum Beispiel hat die Ensemblereduktion ortsspezifische Reduktions-/Oxidationspotentiale10, die Bildung von Zwischenprodukten und kleineren Katalyseprodukten 11, die ortsspezifische Reaktionskinetik 12,13 und die Ladungsträgerdynamik 14,15 aufgedeckt. Die Reduzierung der Ensemble-Mittelung ist besonders wichtig, um unser Verständnis über Modellsysteme hinaus auf angewandte Systeme wie biologische Zellen, Elektrokatalyse und Batterien zu verbessern, in denen häufig eine große Heterogenität zu finden ist 16,17,18,19,20,21,22.
In den letzten zehn Jahren gab es ein Aufkommen von Techniken zur Untersuchung der Elektrochemievon Einzeleinheiten 1,2,9,10,11,12. Diese elektrochemischen Messungen haben die Möglichkeit geschaffen, kleine elektrische und ionische Ströme in verschiedenen Systemen zu messen und neue grundlegende chemische und physikalische Eigenschaftenaufzudecken 23,24,25,26,27,28. Elektrochemische Messungen liefern jedoch keine Informationen über die Identität oder Struktur von Molekülen oder Zwischenprodukten an der Elektrodenoberfläche 29,30,31,32. Chemische Informationen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis elektrochemischer Reaktionen. Grenzflächenchemisches Wissen wird in der Regel durch die Kopplung von Elektrochemie und Spektroskopie gewonnen31,32. Schwingungsspektroskopie, wie z. B. Raman-Streuung, ist gut geeignet, komplementäre chemische Informationen über den Ladungstransfer und verwandte Ereignisse in elektrochemischen Systemen zu liefern, die überwiegend wässrige Lösungsmittel verwenden, aber nicht darauf beschränkt sind30. In Verbindung mit der Mikroskopie bietet die Raman-Streuspektroskopie eine räumliche Auflösung bis zur Beugungsgrenze des Lichts33,34. Die Beugung stellt jedoch eine Einschränkung dar, da Nanopartikel und aktive Oberflächenstellen kleiner sind als optische Beugungsgrenzen, was somit die Untersuchung einzelner Einheiten ausschließt35.
Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) hat sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Grenzflächenchemie in elektrochemischen Reaktionen erwiesen 20,30,36,37,38. Zusätzlich zu den Schwingungsmoden von Eduktmolekülen, Lösungsmittelmolekülen, Additiven und der Oberflächenchemie von Elektroden liefert SERS ein Signal, das auf der Oberfläche von Materialien lokalisiert ist, die kollektive Oberflächenelektronenschwingungen unterstützen, die als lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen bekannt sind. Die Anregung von Plasmonenresonanzen führt zu einer Konzentration elektromagnetischer Strahlung an der Oberfläche des Metalls, wodurch sowohl der Lichtfluss als auch die Raman-Streuung von Oberflächenadsorbaten erhöht werden. Nanostrukturierte Edelmetalle wie Ag und Au sind häufig verwendete plasmonische Materialien, da sie Plasmonenresonanzen im sichtbaren Licht unterstützen, die für die Detektion von Emissionen mit hochempfindlichen und effizienten ladungsgekoppelten Geräten wünschenswert sind. Obwohl die größten Verbesserungen in SERS von Aggregaten von Nanopartikeln ausgehen39,40, wurde ein neues SERS-Substrat entwickelt, das SERS-Messungen an einzelnen Nanopartikeln ermöglicht: SERS-Substrat im Gap-Mode (Abbildung 1)41,42. In Gap-Mode-SERS-Substraten wird ein metallischer Spiegel hergestellt und mit einem Analyten beschichtet. Anschließend werden Nanopartikel über das Substrat verteilt. Bei der Bestrahlung mit zirkular polarisiertem Laserlicht wird eine dipolare Plasmonenresonanz angeregt, die durch die Kopplung von Nanopartikel und Substrat entsteht, was SERS-Messungen an einzelnen Nanopartikeln ermöglicht. Die SERS-Emission ist an die dipolare Plasmonenresonanz43,44,45 gekoppelt, die entlang der optischen Achse ausgerichtet ist. Durch die parallele Ausrichtung des strahlenden elektrischen Dipols und der Sammeloptik wird nur die Emission mit hohem Winkel erfasst, wodurch unterschiedliche donutförmige Emissionsmuster46,47,48,49 gebildet werden, die die Identifizierung einzelner Nanopartikel ermöglichen. Aggregate von Nanopartikeln auf dem Substrat enthalten strahlende Dipole, die nicht parallel zur optischen Achse50 verlaufen. In letzterem Fall werden Emissionen mit niedrigem und hohem Winkel gesammelt und bilden feste Emissionsmuster46.
In dieser Arbeit beschreiben wir ein Protokoll zur Herstellung von Gap-Mode-SERS-Substraten und ein Verfahren, um sie als Arbeitselektroden zur Überwachung elektrochemischer Redoxereignisse an einzelnen Ag-Nanopartikeln mit Hilfe von SERS zu verwenden. Wichtig ist, dass das Protokoll unter Verwendung von Gap-Mode-SERS-Substraten die eindeutige Identifizierung einzelner Nanopartikel durch SERS-Bildgebung ermöglicht, was eine zentrale Herausforderung für aktuelle Methoden in der Einzelnanopartikel-Elektrochemie darstellt. Als Modellsystem demonstrieren wir die Verwendung von SERS, um die elektrochemische Reduktion und Oxidation von Nilblau A (NB) an einem einzelnen Ag-Nanopartikel auszulesen, das durch ein Raster- oder Stufenpotential angetrieben wird (d.h. zyklische Voltammetrie, Chronoamperometrie). NB durchläuft eine Multi-Protonen-, Multi-Elektronen-Reduktions-/Oxidationsreaktion, bei der seine elektronische Struktur aus der Anregungsquelle heraus / in Resonanz mit ihr moduliert wird, was einen Kontrast in den entsprechenden SERS-Spektren 10,51,52 erzeugt. Das hier beschriebene Protokoll ist auch auf nicht-resonante redoxaktive Moleküle und elektrochemische Techniken anwendbar, die für Anwendungen wie die Elektrokatalyse relevant sein können.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone, microelectronic grade</td>
			<td>J. T. Baker</td>
			<td>9005-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>4924000100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical Balance, AB54-S/FACT</td>
			<td>Metter Toledo</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomic Force Microscope, Easy scan 2</td>
			<td>Nanosurf</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive epoxy, two part</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>12642-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper pellets, 99.99% pure</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVMCU40EXE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper wire, bare, 18 AWG</td>
			<td>VWR</td>
			<td>66248-040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Crucible, Graphite E-Beam</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVCEB-23</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond Scriber</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>54484</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy, Clear</td>
			<td>Gorilla Glue</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Tube Cutter</td>
			<td>Wheeler-Rex</td>
			<td>69012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Tube, Borossilicate (OD 0.75&#34;, ID 0.62&#34;, L 12&#34;)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8729K45</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Immersion oil, Type-F</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IMMOIL-F30CC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted Microscope, IX73</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser, Excelsior One 642 nm Free space</td>
			<td>Spectra-Physics</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LightField</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB 2022b</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro cover glass (coverslips), 24&#215;60 mm No. 1</td>
			<td>VWR</td>
			<td>48404-455</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Smartphone Camera Adapter</td>
			<td>qhma</td>
			<td>QHMC017A-S01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nile Blue A, pure</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>415690100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen, Ultra Pure, Compressed</td>
			<td>Specialty Gases</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objective, UPLanXApo 100&#215; Oil Immersion</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>14-910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyimide Film, Kapton</td>
			<td>3M</td>
			<td>16089-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Phosphate Monobasic</td>
			<td>VWR</td>
			<td>P285</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat, 660E&#160;</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt wire</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>10956-BS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafer</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16006</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver nanoparticles (nanospheres), NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate</td>
			<td>nanoComposix</td>
			<td>AGCN60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver pellets, 99.99% pure</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVMAG40EXE-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slide Rack, Wash-N-Dry</td>
			<td>Diversified Biotech</td>
			<td>WSDR-2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smartphone, iPhone 13 mini</td>
			<td>Apple</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>0348</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrometer, IsoPlane SCT320</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue Wipers, Light-duty&#160;</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82003-820</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers, KS-04</td>
			<td>Kaisi Hardware</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Utrasonic Generator, sweepSONIK</td>
			<td>Blackstone-NEY Ultrasonics</td>
			<td>809379</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tracking electrochemistry on single nanoparticles with surface-enhanced raman scattering spectroscopy and microscopy

Die Untersuchung elektrochemischer Reaktionen an einzelnen Nanopartikeln ist wichtig, um die heterogene Leistung einzelner Nanopartikel zu verstehen. Diese nanoskalige Heterogenität bleibt bei der ensemblegemittelten Charakterisierung von Nanopartikeln verborgen. Elektrochemische Techniken wurden entwickelt, um Ströme von einzelnen Nanopartikeln zu messen, liefern aber keine Informationen über die Struktur und Identität der Moleküle, die an der Elektrodenoberfläche reagieren. Optische Techniken wie die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), Mikroskopie und Spektroskopie können elektrochemische Ereignisse an einzelnen Nanopartikeln detektieren und gleichzeitig Informationen über die Schwingungsmoden von Elektrodenoberflächenspezies liefern. In dieser Arbeit wird ein Protokoll zur Verfolgung der elektrochemischen Oxidationsreduktion von Nilblau (NB) an einzelnen Ag-Nanopartikeln mit Hilfe von SERS-Mikroskopie und -Spektroskopie demonstriert. Zunächst wird ein detailliertes Protokoll zur Herstellung von Ag-Nanopartikeln auf einer glatten und semitransparenten Ag-Schicht beschrieben. Eine dipolare Plasmonenmode, die entlang der optischen Achse ausgerichtet ist, wird zwischen einem einzelnen Ag-Nanopartikel und einem Ag-Film gebildet. Die SERS-Emission von NB, die zwischen dem Nanopartikel und dem Film fixiert ist, wird in den Plasmonenmodus eingekoppelt, und die Hochwinkelemission wird von einem Mikroskopobjektiv gesammelt, um ein Donut-förmiges Emissionsmuster zu bilden. Diese donutförmigen SERS-Emissionsmuster ermöglichen die eindeutige Identifizierung einzelner Nanopartikel auf dem Substrat, aus denen die SERS-Spektren gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Verwendung des SERS-Substrats als Arbeitselektrode in einer elektrochemischen Zelle, die mit einem inversen Lichtmikroskop kompatibel ist, vorgestellt. Schließlich wird gezeigt, wie die elektrochemische Oxidationsreduktion von NB-Molekülen an einem einzelnen Ag-Nanopartikel verfolgt wird. Der hier beschriebene Aufbau und das Protokoll können modifiziert werden, um verschiedene elektrochemische Reaktionen an einzelnen Nanopartikeln zu untersuchen.

Electrochemistry is an important measurement science for studying charge transfer, charge storage, mass transport, etc., with applications in diverse disciplines, including biology, chemistry, physics, and engineering1,2,3,4,5,6,7. Conventionally, electrochemistry involves measurements over an ensemble &#8212;&#160;a&#160;large collection of single entities such as molecules, crystalline domains, nanoparticles, and surface sites. However, understanding how such single entities contribute to ensemble-averaged responses is key for bringing forth new fundamental and mechanistic understandings in chemistry and related fields because of the heterogeneity of electrode surfaces in complex electrochemical environments8,9. For example, ensemble reduction has revealed site-specific reduction/oxidation potentials10, the formation of intermediates and minor catalysis&#160;products11, site-specific reaction kinetics12,13, and charge carrier dynamics14,15. Reducing ensemble averaging is particularly important in improving our understanding beyond model systems to applied systems, such as biological cells, electrocatalysis, and batteries, in which extensive heterogeneity is often found16,17,18,19,20,21,22.
In the past decade or so, there has been an emergence of techniques to study single-entity electrochemistry1,2,9,10,11,12. These electrochemical measurements have provided the capabilities to measure small electrical and ionic currents in several systems and revealed new fundamental chemical and physical characteristics23,24,25,26,27,28. However, electrochemical measurements do not provide information about the identity or structure of molecules or intermediates at the electrode surface29,30,31,32. Chemical information at the electrode-electrolyte interface is central to understanding electrochemical reactions. Interfacial chemical knowledge is typically obtained by coupling electrochemistry with spectroscopy31,32. Vibrational spectroscopy, such as Raman scattering, is well-suited to provide&#160;complementary chemical information on charge transfer and related events in electrochemical systems that predominately utilize, but are not limited to, aqueous solvents30. Coupled with microscopy, Raman scattering spectroscopy provides spatial resolution down to the diffraction limit of light33,34. Diffraction presents a limitation, however, because nanoparticles and active surface sites are smaller in length than optical diffraction limits, which, thus, precludes the study of individual entities35.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been demonstrated to be a powerful tool in studying interfacial chemistry in electrochemical reactions20,30,36,37,38. In addition to providing the vibrational modes of reactant molecules, solvent molecules, additives and the surface chemistries of electrodes, SERS provides a signal that is localized to the surface of materials that support collective surface electron oscillations, known as localized surface plasmon resonances. The excitation of plasmon resonances leads to the concentration of electromagnetic radiation at the surface of the metal, thus increasing both the flux of light to and the Raman scattering from surface adsorbates. Nanostructured noble metals such as Ag and Au are commonly used plasmonic materials because they support visible light plasmon resonances, which are desirable for detecting emission with highly sensitive and efficient charge-coupled devices. Although the largest enhancements in SERS come from aggregates of nanoparticles39,40, a new SERS substrate has been developed that allows SERS measurements from individual nanoparticles: gap-mode SERS substrate&#160;(Figure 1)41,42. In gap-mode SERS substrates, a metallic mirror is fabricated and coated with an analyte. Next, nanoparticles are dispersed over the substrate. When irradiated with circularly polarized laser light, a dipolar plasmon resonance formed by the coupling of the nanoparticle and substrate is excited, which enables SERS measurements on single nanoparticles. SERS emission is coupled to the dipolar plasmon resonance43,44,45, which is oriented along the optical axis. With the parallel alignment of the radiating electric dipole and collection optics, only high-angle emission is collected, thus forming distinct donut-shaped emission patterns46,47,48,49 and allowing the identification of single nanoparticles. Aggregates of nanoparticles on the substrate contain radiating dipoles that are not parallel to the optical axis50. In this latter case, low-angle and high-angle emissions are collected and form solid emission patterns46.
Here, we describe a protocol for fabricating gap-mode SERS substrates and a procedure to employ them as working electrodes to monitor electrochemical redox events on single Ag nanoparticles using SERS. Importantly, the protocol using gap-mode SERS substrates allows for the unambiguous identification of single nanoparticles by SERS imaging, which is a key challenge for current methodologies in single nanoparticle electrochemistry. As a model system, we demonstrate the use of SERS to provide a readout of the electrochemical reduction and oxidation of Nile Blue A (NB) on a single Ag nanoparticle driven by a scanning or stepped potential (i.e., cyclic voltammetry, chronoamperometry). NB undergoes a multi-proton, multi-electron reduction/oxidation reaction in which its electronic structure is modulated out of/in resonance with the excitation source, which provides a contrast in the corresponding SERS spectra10,51,52. The protocol described here is also applicable to non-resonant redox-active molecules and electrochemical techniques, which may be pertinent to applications such as electrocatalysis.

Autor im Rampenlicht: Verfolgung der Elektrochemie an einzelnen Nanopartikeln mit oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und Mikroskopie  

Verfolgung der Elektrochemie an einzelnen Nanopartikeln mit oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und -Mikroskopie

A common theme in our research is using light matter interactions and electrical energy to measure, drive, and control interfacial chemical transformations at the nanoscale. In particular, we seek to understand how local environments and reaction intermediates affect selectivity in electric catalysis. Catalytic transformations are traditionally evaluated with ensemble average measurements of the products and the catalyst attributes.The frontier challenges to produce chemical products selectively include reducing this measurement averaging while maintaining the measurement sensitivity, so that we can better understand the actions of individual molecules in the reactive sites of the catalyst. Electrochemical techniques alone do not provide any chemical information on species that form and transform at the electrode surface. Our protocol enables electrochemical measurements at a single nanoparticle using vibrational spectroscopy as a readout, enabling correlations between electrochemical processes and molecular changes.Moving forward, our laboratory will continue to push the boundaries of measurement resolution and space and time to understand chemical and material processes at the single-molecule level and at the timescale of chemical reactions.

Abbildung 2A zeigt Ag-Dünnschichtsubstrate, die mit einem Elektronenstrahl-Metallabscheidungssystem hergestellt wurden. Das in Abbildung 2A gezeigte "gute" Substrat weist eine homogene Bedeckung mit Ag-Metall über dem Glasdeckglas auf, während das "schlechte" Substrat eine ungleichmäßige Bedeckung mit Ag aufweist. Das ultraviolett-sichtbare Spektrum der "guten" Ag-Dünnschicht ist in Abbildung 2B dargestellt, die zeigt, dass di...

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Das Protokoll beschreibt, wie elektrochemische Ereignisse an einzelnen Nanopartikeln mit Hilfe von oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und Bildgebung überwacht werden können.

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This ...

Ein gemeinsames Thema in unserer Forschung ist die Nutzung von Licht-Materie-Wechselwirkungen und elektrischer Energie, um chemische Grenzflächenumwandlungen auf der Nanoskala zu messen, anzutreiben und zu kontrollieren. Insbesondere versuchen wir zu verstehen, wie lokale Umgebungen und Reaktionszwischenprodukte die Selektivität in der elektrischen Katalyse beeinflussen. Katalytische Umwandlungen werden traditionell mit Ensemble-Mittelwertmessungen der Produkte und der Katalysatoreigenschaften bewertet.Zu den größten Herausforderungen bei der selektiven Herstellung chemischer Produkte gehört die Reduzierung dieser Messmittelung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Messempfindlichkeit, damit wir die Aktionen einzelner Moleküle in den reaktiven Zentren des Katalysators besser verstehen können. Elektrochemische Techniken allein liefern keine chemischen Informationen über Spezies, die sich an der Elektrodenoberfläche bilden und umwandeln. Unser Protokoll ermöglicht elektrochemische Messungen an einem einzelnen Nanopartikel mittels Schwingungsspektroskopie als Auslese und ermöglicht so Korrelationen zwischen elektrochemischen Prozessen und molekularen Veränderungen.Auch in Zukunft wird unser Labor die Grenzen der Messauflösung sowie des Raums und der Zeit erweitern, um chemische und materielle Prozesse auf Einzelmolekülebene und auf der Zeitskala chemischer Reaktionen zu verstehen.

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Research

JoVE Journal

Chemistry

Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy

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Serie: Autor im Rampenlicht: Verfolgung der Elektrochemie an einzelnen Nanopartikeln mit oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und Mikroskopie  