Name: assessment of boron doped diamond electrode quality and application to in situ modification of local ph by water electrolysis
Uploaded: 2016-01-06T13:00:01.000+00:00
Duration: 13 min 9 s
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우리는 그림 (b)에서 사진과 비디오, 미스 제니퍼 웹의 접촉각 측정에 대한 조언과 비주얼을 위해 광학 현미경 이미지를 처리하기 위해 박사 조나단 Newland 감사드립니다, 그림 2B에서 미스 크기 씨 - 음 탄 용매 창에 대한 데이터 박사 맥심 조셉 라만 분광법에 대한 조언, 그리고 여기에 기술 된 프로토콜을 개발하는 데 도움이 워릭 전기 화학 및 인터페이스 그룹의 또한 회원. 우리는 또한 프로토콜 촬영에서 자신의 일부를 최대 요셉, Lingcong 멩, 조이 아이레스와 로이 Meyler에게 감사의 말씀을 전합니다.

The authors declare that they have no competing financial interests.

H-종료 표면이 특히 높은 양극 전위 7,40,41에서, 전기 화학적으로 불안정하기 때문에 O-종료 표면 시작은 주장한다. 표면 종단 변경 등 (로컬 용액의 pH를 변경하는 것으로 사용) 물의 전기 같은 내부 구 쌍의 전자 전달 반응 속도에 영향을 미칠 수있다. BDD 곡물 경계에서 중요한 NDC가 포함되어있는 경우 또한, 극단적 인 양극의 응용 프로그램에 / 음극 잠재력이 약한 지점에서 발생할 수있는 에칭, pH를 생성이 문서에서 주장하는 것도 가능하다. 이는 필름이 부식 박막의 Au 및 Pt 전극 (17)와 같이 얇은 필름, 결국, 불안정한 산도 생성 프로파일 자체를 명시, 박리하게된다. 도 1 (라만) 및 2- (capacit에서 논의 된 바와 같이, 따라서, 사용 전에 전극의 품질을 평가하기위한 프로토콜이 엄격한 NDC 함량을 평가하기 위해 채용ANCE 용매 창). 또한 중요한 붕소 함량이다. 소재가 금속 임계치 (&lt;10 20 B 원자 cm -3) 이하 도핑 경우 전기 화학적 성능 7,42 감소 결과 플랫 밴드 전위의 네거티브 전위에 충전 고갈 될 것이다. 질적 금속 도핑 레벨을 평가하는 가장 쉬운 방법은도 1 (AC)에 나타낸 바와 같이, 라만 스펙트럼에서, SP 3 피크의 비대칭 원인 파노 서명의 존재를 찾는 것이다. 이것은 이산 포논 상태 및 전자 연속체 간의 간섭에 기인 붕소 도핑 레벨&gt; 10 20 B 원자 cm -3 43에서 볼 수있다. 이차 이온 질량 분석 (SIMS)는 궁극적으로 붕소 함량을 정량화하지만 파괴하고 사용하는 것이 더 많이있다. SIMS는 전체 붕소 함량을 제공하기 때문에 자유롭게 availabl 수의 가능한 감소를 고려하지 않습니다보상 또는 붕소의 보호로 인해 전자의 전하 캐리어는 각각 질소 (44) 또는 수소 45 적합한 기증자와 수용체. 전기, 도펀트 밀도의 차이가 공식의 밴드 갭 내에서 잠재적 인 거짓말 외부 영역 빠른 전자 이동 산화 환원 쌍의 고용에 의해 가시화 될 수있는의 Ru 등의 BDD (NH 3) 반도체 성 O-종료 6 3 + / 2 + (46). BDD 전극 증가 도핑 레벨, 및로부터 재료의 이동에 따라,도 2c에 도시 된 바와 같이 예를 들어, 현재의 증가와 전자 전달이 더 용이 한대로 분리가 감소과 피크 정점 금속성하는 반도체 성. 금속 불순물 수준에서 전극은의 Ru (NH 3)와 같은 중재자 6 3+, 가역 확산 제한 이력서가 고정 solutio에 macroelectrode에 기록 된 고전 전극과 유사한 행동을 보여 주어야한다엔. 가역 행동 (10) (19) 가까이가 있지만 H-종료 표면에 대한 기록되었습니다 ~ 붕소 불순물 수준에서 유의하십시오. 이는 다이아몬드의 가전 자대와 전도대의 에너지 준위를 발생시키는 원인이 H - 말단 표면의 흥미로운 특질이다. 이것은 3 O + 것은 표면 전사 도핑 측정 표면 전도도 결과 가능해 H에 가전 자대에서 전자 전달을 의미한다. 그러나, H 말단 낮은 도펀트 농도로 작업 전극, 특히 높은 양극 전위에서 H - 말단 표면의 전기 화학적 불안정성에 장기 7,40,41 가능한 접근법이 아니다. 측정 전극의 로컬 산도를 변경하는 능력은 pH가 체계적으로 변형 및 시스템에 대한 영향은 동일 반응계 내에서 전기 화학적으로 평가 될 수있다 예를 가능하게 해주기 로컬 pH를 적정 실험에서 다양한 애플리케이션을 갖는다 </em&gt;. 결합 된 금속 이온을 양쪽에 센서 전극을 가능하게하여 pH를 감소시킴으로써 해방 할 수있는 국부적 인 시츄 47-50에서, 매우 산성 값을 감소시킴으로써 천연 pH 및 총 금속 함량의 무료 금속 함량을 평가한다. 이것은 소스 측정에 매우 유용하다. 또한, 종 지역의 pH를 변화시키는 힘에 의해 검출에 전기 화학적으로 검출되지 않는에서 전환 할 수있다, 예를 들어 용해 된 황화수소 완전히 pH 값&gt; (9) (16)에서 전기 화학적 검출 황화 형태로 변환한다. 전극 형상이 채용을위한 예에서, 주어진 4 (6.4-2.0 및 6.0-10.8) 단위 이상 pH 변화가 입증되었다. 큰 변화는 정전류 전류를 증가 및 전극 형상을 변화시킴으로써 가능하다. 예를 들어, 발생기와 검출기 전극과 검출기의 상대적인 크기를 감소 사이의 거리를 감소시키는 것은 낮은 / 높은 pH 값이 달성 될 수 있도록한다. 묘기BDD 전극 URE 크기는 채용 제조 기술의 해상도에 의해 제한 될 것이다. 안정한 pH를 생성을 위해 전달 될 수있는 전류의 크기에 상한이있을 수도, 주. 이는 발생 전극에 상당한 기체 발생 및 기포 형성이 관찰되는 전류에 의해 결정된다.

어떤 electroanalytical 조사를 실시 할 때의 전극 재료의 선택은 매우 중요하다. 최근 몇 년 동안, SP 3 탄소 (다이아몬드) 재질을 렌더링 할 수있는 충분한 붕소 도핑 &quot;금속 등&quot;으로 인해 우수한 전기 (열 및 기계적) 특성 1,2에 electroanalytical 다양한 애플리케이션을위한 인기있는 선택이되었다 3. 이들은 일반적으로 사용되는 전극 재료 5-7,3에 비해 극단적 부식 용액, 온도 및 압력 조건 4 초광각 용매 창문, 낮은 배경 전류 이하의 저항, 및 감소 된 오염을 포함한다. 그러나, 증가하는 비 다이아몬드 탄소 (NDC : SP 2) 예를 들면 배경 전류 7,8, 다른 내부 구 독스 종 방향 모두 구조적 완전성과 감도 변화, 증가 감소 용매 창의 콘텐츠 결과. 산소 9-12. 그래서 참고 사항나 응용 프로그램은, NDC 존재는 유리 (13)로 볼 수있다. 재료는 충분한 붕소를 포함하지 않는 경우는 또한, p 형 반도체로서 행동하고 재료가 가장 전하 캐리어 (7)의 고갈을 환원 전위 창에서 산화 환원 종의 환원에 대한 민감도를 보여준다. 마지막으로, 붕소 도핑 된 다이아몬드 표면 화학 (BDD)도 관측 전기 화학 반응에 역할을 할 수있다. 이 수소 (H -) - 어디 화학 표면 및 도핑 다이아몬드를 낮출 민감한 내부 구 종에 특히 사실이다 종료 표면이 반 실시 BDD 전극을 표시 할 수있다 &quot;금속 같은&quot;7. BDD의 우수한 특성을 활용하기 위해, 물질이 충분히 도핑되어 종종 필수적이며 가능한 한 적은 NDC를 포함한다. BDD 성장 채택 된 방법에 따라, 속성은 14, 15을 다를 수 있습니다. 이 논문은 먼저 재료와 당선자를 제안다음 사용하기 전에 BDD 전극 적합성 (즉 충분한 붕소, 최소 NDC)를 평가하고 대한 rochemical 특성 프로토콜 가이드는 로컬 전기 프로토콜 검증 된 전극을 사용하여 pH를 변화를 기반으로 한 응용 프로그램에 대해 설명합니다. 이 프로세스는 장시간 극한인가 전위 (또는 전류)의인가 하에서 부식 또는 용해 향해 NDC없는 BDD의 표면 탄성을 이용한다. 특히 BDD 전극의 사용은 안정한 양성자 (H의 +) 또는 히드 록 시드를 생성하기 위해 (OH -) (16, 17)는 본 명세서에서 설명되는 제 2 (센서)에 근접 물의 전기 (각각 산화 또는 환원)에 의한 플럭스. 이러한 방식으로 그것의 pH 적정 실험 예 체계적으로 센서의 pH 환경을 제어하기 위해, 또는 전기 화학적 프로세스가 가장 민감 값으로 pH를 고정 할 수있다. 후자는 특히 유용센서는 소스, 예를 들어 강, 호수, 바다 및 시스템의 pH에 배치되는 애플리케이션의 관심 전기 화학적 측정을위한 최적이 아니다. 두 가지 최근의 예는 다음과 같습니다 전착 및 수은 (17)의 제거를위한 pH가 중성 용액에서 지역화 된 낮은 pH의 (I) 세대,; BDD 인해 확장 된 음극 창 9,18,19에 금속의 전착에 대한 선호하는 소재되어 있습니다. (ⅱ) 로컬 중성 강알칼리 (16)로부터의 pH를 증가시킴으로써 높은 pH에서 본 황화수소의 전기 화학적 검출 가능한 형태의 정량.

<table><tbody><tr><td>Pt Wire</td><td></td><td></td><td>Counter Electrode</td></tr><tr><td>Saturated Calomel Electrode</td><td>IJ Cambria Scientific Ltd.</td><td>2056</td><td>Reference Electrode (alternatively use Ag|AgCl)</td></tr><tr><td>BDD Electrode</td><td></td><td></td><td>Working Electrode</td></tr><tr><td>Iridium Tetrachloride</td><td>VWR International Ltd</td><td>12184.01</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen Peroxide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H1009</td><td>(30% w/w) Corrosive</td></tr><tr><td>Oxalic Acid&amp;nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>241172</td><td>Harmful, Irritant</td></tr><tr><td>Anhydrous Potassium Chloride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>451029</td><td></td></tr><tr><td>Sulphuric Acid</td><td>VWR International Ltd</td><td>102765G</td><td>(98%) Corrosive</td></tr><tr><td>Potassium Nitrate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221295</td><td></td></tr><tr><td>Hexaamine Ruthenium Chloride</td><td>Strem Chemicals Inc.</td><td>44-0620</td><td>Irritant</td></tr><tr><td>Perchloric Acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>311421</td><td>Oxidising, Corrosive</td></tr><tr><td>2-Propanol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>24137</td><td>Flammable</td></tr><tr><td>Nitric Acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>695033</td><td>Oxidising, Corrosive</td></tr><tr><td>Sputter/ Evapourator</td><td></td><td></td><td>With Ti &amp;amp; Au targets</td></tr><tr><td>Raman</td><td></td><td></td><td>514.5 nm laser</td></tr><tr><td>Annealing Oven</td><td></td><td></td><td>Capable of 400 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>Ag paste</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>735825</td><td>or other conductive paint</td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>pH Buffer solutions</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>38740-38752</td><td>Fixanal buffer concentrates</td></tr><tr><td>Phenolphthalein Indicator</td><td>VWR International Ltd</td><td>210893Q</td><td></td></tr><tr><td>Methyl Red Indicator</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>32654</td><td></td></tr></tbody></table>

assessment of boron doped diamond electrode quality and application to in situ modification of local ph by water electrolysis

붕소 도핑 된 다이아몬드 (BDD) 전극 등 연장 용매 창 낮은 배경 전류, 내식성, 그들의보고 된 많은 특성은 표면의 촉매 불활성 자연에서 발생하는 전극 재료로서 상당한 가능성을 보여 주었다. 성장 공정 동안, 비 다이아몬드 탄소 (NDC)의 전극 매트릭스에 혼입 될 경우 표면이 더해진다 촉매 활성 그러나, 전기 화학적 특성이 변경된다. 따라서 그것은 electrochemist의 품질을 인식하고 사용 전에 BDD 전극의 전기 화학적 특성 키를 생성하는 것이 중요하다. 본 논문은 BDD 전극을 무시할 NDC 즉 무시할 SP 2 탄소가 포함되어 있는지 여부를 확인하기 위해, 라만 현미경, 용량, 용매 창 및 산화 환원 전기 화학을 포함하여 특성화 단계의 시리즈를 설명합니다. 하나의 응용은 촉매 불활성 활용되는 강조및 NDC없는 표면의 부식 방지 특성으로 인해 BDD 전극에서 물 전기 분해에 안정적이고 정량화 지역 양성자와 수산화 생산을 즉. 산화 이리듐 코팅 BDD 전극을 이용하여 물을 전기 분해에 의해 유도 된 로컬 pH 변화를 측정하는 방법도 상세히 설명한다.

라만 스펙트럼 및 전기 화학적 특성이 상이한 도펀트 밀도 대표 BDD의 macrodisc 전극에 대해 획득하고, NDC 상당한 무시할 수준, 모두 1, 2를 도시한다.도 1a 및 B 쇼 전형적인 라만 데이터 박막 미세 BDD 큰 그레인 NDC가 함유위한 자립 BDD는 각각 금속 임계치 이상 도핑. NDC의 존재는 1400과 1,600cm -1 사이의 레이블이 넓은 피크로 식별 할 수있다; BDD 자립, 국방 무의 전형적인 라만 서명을 보여줍니다 그림 1C에서 볼 수 이러한 피크가 없다. 도 1에서는 세 개의 스펙트럼은 1,332cm -1에서 날카로운 피크를 관찰 할 수 있고, 이것은 SP 3 탄소 (다이아몬드)의 서명 피크이고; 이 피크 주변의베이스 라인의 비대칭은 &quot;파노 공명로 알려져있다본 샘플은 전기 화학적 연구에 적합하게 사용하기 위해 (10 20 B 원자를 cm -3) 도핑 나타내는 경우 &quot;와. 이는 여기에 도시 된 모든 세 개의 전극에 대한 경우이다. 그림에서 전기 화학적 연구 (2) 예를 들어, 데이터 (산화 환원 매개체의 Ru에 기록 된 용량, 용매 창 및 이력서 (NH 3) 6 3+)은 금속 임계 값을 초과 도핑 모두 NDC 함유하고 NDC없는 BDD를 위해 제공됩니다. 그림 2A의 용량 곡선은 분명히 NDC 함유 BDD는 NDC가없는 BDD보다 더 큰 용량 성 전류를 나타내는 것을 나타냅니다. 텍스트에 설명 10.8 μF의 CM -2 (NDC가 함유) 6.3 μF의 CM -2 (NDC-무료) BDD로도 2a에 인용되어 각각의 용량을 계산하고있다. 높은 품질, 낮은 NDC 함량은 BDD 전극이 정전 용량을 가질 것으로 기대된다 &lt;&lt; 10 μF의 CM -2. 유사하게,도 2b는 모형 NDC 함유하고 NDC없는 BDD 전극 용매 윈도우를 비교. 이는 용매 창 좁아, NDC 함유 전극 용 크게 반입 된 H 2 O 산화 및 환원의 발병 것을 알 수있다. 또한 노트의 인해 국방의 산화 및 국방에 있지만 SP 3 탄소에 촉매 인해 ORR에 음극 피크 양극 피크의 모양이다. 무시할 NDC 가진 고품질 BDD 전극 용 용매 창이 3 V 수성 용액 KNO 3 &gt;&gt; 것으로 예상된다. 도 2c에 도핑 레벨의 다양한 BDD 전극의 CV 반응은 산화 환원 매개체의 Ru (NH 3) 6 3+를 사용하여 조사된다. BDD 전극 금속 임계치 이상 도프를 들어, 양극과 음극 사이에 전류 피크 전압 분리는 네른스트 식에 따르면, MV (59)에 근접 할 것으로 예상되고; 하우도핑 레벨이 감소함에 버전, 재료 분리를 피크 피크의 증가의 결과로 전하 캐리어 고갈된다. 모든 다이아몬드 (BDD 다이아몬드에 절연) 39 이중 전극 BDD 링 디스크 전극 밀봉 에폭시가도 4a에 pH를 생성 실험에 사용 하였다 동안 IrOx를 코팅 BDD의 macrodisc는,도 3에 데이터를 기록하는데 사용되었다. 도 3의 데이터에 BDD의 pH 민감성 위에 IrOx 막의 증착 및 특성화 프로세스를 나타낸다. 도 3a에 IRO X 증착 용액에 기록 전형적인 CV가 도시되어있다. 여기에 도시 된 바와 같이 후속 IrOx를 증착 채용 전위는 산화 전류의 피크 위치로부터 식별 될 수있다.도 3b는 IrOx를 필름의 전착 황산 모형 CV이며BDD에 에디션. CV의 형상은, 막 두께에 대한 정보를 제공하는 피크 전류 밀도가 성공적으로 증착 필름의 특성이다. 더 높은 전류 밀도는 두꺼운 필름을 나타냅니다. 필름의 두께 안정성이 좌우된다; 너무 얇고 산도 응답 드리프트 것, 너무 두꺼운 막 응답 시간이 느린 것 및 필름은 벗겨있다. 피크 전류 밀도 ~ 0.7 mA cm -2에 대한 값은 우수한 산도 응답 안정된 필름을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 상이한 pH 완충제 향해 BDD 전극에 IrOx를 층 OCP 응답은도 3c에 도시된다. 오차 막대의 크기에 의해 입증되는 바와 같이 측정 사이의 편차가 작고, 기울기는 필름이 유형의 예상대로-Nernstian 슈퍼 (&gt; 59 MV)이다. 마지막으로,도 4는 pH를 생성 BDD 전극의 사용을 도시한다. 도 4a에 pH는 나를 변화도 4에 도시 된 바와 같이 IRO에서 asured하여 코팅 한 x BDD 전극이 어느 링 또는 밴드 형식의 근처에 배치 pH를 생성 BDD 전극에인가되는 전류의 범위에서 제공된다. 서로 다른인가 전류를 들어, pH가 국부적으로 변경 될 수 있고 quantifiably 산성 또는 알칼리성 중 (중립) 근처 시작 값에서. 적절한 전류 밀도&gt; 10.5 중성 부근에서 pH를 변경 BDD 전극에인가되는도 4b에 도시 된 바와 같이,이 프로세스는 육안으로 관찰 될 수있다. 페놀프탈레인 (PH 지시자)의 존재 하에서이 전극의 근방에, 무색에서 핑크가는 용액을 초래한다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/53484/53484fig1.jpg" /> (A) NDC가 성장 기판에 부착 된 박막 미세 BDD를 함유하는 (DOP에 514 nm의 레이저로 기록 된도 1의 전형적인 라만 데이터개미 밀도는 1.9 × 10 20 붕소 원자 cm -3) 및 (B, C) ​​BDD 자립 큰 입자, 평균 불순물 농도는 1.9 × 1020, 3 × 10 20 B 원자 cm -3 각각. NDC가에 분명하다 (A) 및 때문에 1400과 1,600cm의 표시 NDC 피크의 존재 (B) -1, (C)는 무시할 수 NDC가 포함되어 있습니다. 모든 세 개의 전극은 &quot;파노 공명&quot;를 표시하고, 따라서 적절하게 붕소 전기 연구 7 도핑된다. 권한 참조 [4C]에서 일부 재현. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53484/53484fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/53484/53484fig2.jpg" /> 그림 2. 전기 화학적 특성. 모든 대표 데이터 ( <str옹&gt; A, B)는 B 10 20 cm -3 원자 (39), 즉 금속 도핑 된 다이아몬드 임계치 이상 쌌다 O 말단 BDD 전극 절연막 상에 기록되었다. (A) NDC없는 BDD에 대한 용량 곡선 여기서 C = 6.3 μF의 CM -2 (검정), 및 BDD를 NDC가 함유에 대한 여기서 C = 10.8 μF의 CM -2 (빨간색). (B) NDC없는 BDD, 용매 창&gt; 3.95 V (검은 색)과 BDD, 용매 창 = 3.22 V (적색) NDC가 함유위한 대표적인 용매 창. (C)의 CV 6 3+ 0.1 V 초에서 1 밀리미터의 Ru (NH 3)에 기록 -1 유리 범위에서 다른 붕소 도펀트 밀도의 BDD를 macrodisc 전극 자립 밀봉 9.2 × 10월 16일부터 3일까지 × 10 20 B 원자 cm - 3. 권한 참조 [4C]에서 일부 재현. &lt;HREF = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/53484/53484fig2large.jpg&quot;대상 = &quot;_ 빈&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/53484/53484fig3.jpg" /> BDD 및 산도에 응답 IRO X 성막도 3의 특성화. 증착 전에 IrOx를 용액에 (A) CV. 최대 산화 전류는 성막이 가장 효율적인 것으로 판명 증착 전위 E 출발 대한 값을 제공한다. 사용 전위&gt; E 출발, 불안정한 증착 필름의 결과. (B) 0.1 MH SO 4 0.1 V 초 -1 기록 2 전해 IRO의 X 필름 특성 CV 나는 p는 일반적으로 ~ 0.7 mA의 CM -2. (C) 대표 산도 calibratio독립 구조로 서있는 BDD 전극에 전해 IRO x에 대한 n 개의 곡선 (R 2 = 0.997). 기울기는 산도에 슈퍼 Nernstian 응답 (65.4 MV)를 보여줍니다. 작은 오차 막대는 (N = 3) 측정 필름 안정성과 재현성을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53484/53484fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/53484/53484fig4.jpg" /> . 0.150 mm의 현장 pH 조절에 BDD 링 디스크 전극, 디스크 직경 = 0.922 mm, 분리 = 0.262 mm, 링 폭 = 대한 자립 BDD 링 디스크 및 듀얼 밴드 전극 그림 4.; BDD 전극 밴드 발생기는 0.460 × 3mm, 검출기 = 0.09 × 3mm, 및 분리 = 0.2 mm를 =. (A)와 같은 검출기를 functi 전극 위에 대 시간 프로파일 실험적 측정 산도적용 정전류 전류 (링 디스크 전극에서 10-50 μA 및 듀얼 밴드 전극 -0.5 -8 μA)의에. 오랜 기간에 걸쳐 생성 된 안정적인 pH가 있습니다. 참조 수정 재생 [9A]와 [9B]. (B) 페놀프탈레인 지시약을 사용하여 반응계의 pH 세대의 간단한 시각화; -4.55 μA (-0.58 mA의 형상 -2)의 전류가 1mm 직경 유리에 도포는 BDD를 macroelectrode 밀봉. 핑크 색상은 pH≥10.5을 나타냅니다, 무색의 용액이 pH≤8.4 (38)를 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53484/53484fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

프로토콜 시츄 산도 생성 실험에 대한 붕소 도핑 된 다이아몬드 (BDD) 전극 및 후속 출원의 주요 전기 파라미터의 특성에 대해 설명한다.

붕소 도핑 다이아몬드 전극 품질 및 응용 프로그램에 대한 평가<em&gt; 현장에서</em&gt; 물 전기 분해에 의해 지역의 pH 수정

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

14.7K 조회수.  University of Warwick.  프로토콜 시츄 산도 생성 실험에 대한 붕소 도핑 된 다이아몬드 (BDD) 전극 및 후속 출원의 주요 전기 파라미터의 특성에 대해 설명한다. 

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Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ammonium from an ammonium-rich stream is demonstrated using an electrochemical and a bioelectrochemical system. Both systems are controlled by a potentiostat to either fix the current (for the electrochemical cell) or fix the potential of the working electrode (for the bioelectrochemical cell). In the bioelectrochemical cell, electroactive bacteria catalyze the anodic reaction, whereas in the electrochemical cell the potentiostat applies a higher voltage to produce a current. The current and consequent restoration of the charge balance across the cell allow the transport of cations, such as ammonium, across a cation exchange membrane from the anolyte to the catholyte. The high pH of the catholyte leads to formation of ammonia, which can be stripped from the medium and captured in an acid solution, thus enabling the recovery of a valuable nutrient. The flux of ammonium across the membrane is characterized at different anolyte ammonium concentrations and currents for both the abiotic and biotic reactor systems. Both systems are compared based on current and removal efficiencies for ammonium, as well as the energy input required to drive ammonium transfer across the cation exchange membrane. Finally, a comparative analysis considering key aspects such as reliability, electrode cost, and rate is made.
This video article and protocol provide the necessary information to conduct electrochemical and bioelectrochemical ammonia recovery experiments. The reactor setup for the two cases is explained, as well as the reactor operation. We elaborate on data analysis for both reactor types and on the advantages and disadvantages of bioelectrochemical and electrochemical systems.

We demonstrate the extraction of ammonium from an ammonium-rich stream using an electrochemical and a bioelectrochemical system. The reactor setup, operation and data analysis are discussed.

전기 및 Bioelectrochemically 유도 암모늄 복구

Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ...

연구

화학

Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use integrated paper microfluidic electrochemical pH sensor for resource-limited settings. Taking advantages from both pH meters and strips, the pH sensing platform is composed of hydrophobic barrier-patterned paper micropad (&#181;PAD) using polydimethylsiloxane (PDMS), screen-printed electrode (SPE) modified with IrO2-graphene films and molded acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic holder. Repetitive cathodic potential cycling was employed for graphene oxide (GO) reduction which can completely remove electrochemically unstable oxygenated groups and generate a 2D defect-free homogeneous graphene thin film with excellent stability and electronic properties. A uniform and smooth IrO2 film in nanoscale grain size is anodically electrodeposited onto the graphene film, without any observable cracks. The resulting IrO2-RGO electrode showed slightly super-Nernstian responses from pH 2-12 in Britton-Robinson (B-R) buffers with good linearity, small hysteresis, low response time and reproducibility in different buffers, as well as low sensitivities to different interfering ionic species and dissolved oxygen. A simple portable digital pH meter is fabricated, whose signal is measured with a multimeter, using high input-impedance operational amplifier and consumer batteries. The pH values measured with the portable electrochemical paper-microfluidic pH sensors were consistent with those measured using a commercial laboratory pH meter with a glass electrode.

The study demonstrates the growth of iridium oxide-reduced graphene oxide (IrO2-RGO) nanohybrid thin films on irregular and rough screen-printed carbon substrate through a green electrochemical synthesis, and their implementation as a pH sensor with a patterned paper-fluidic platform.

일회용 전기 종이 마이크로 유체의 pH 센서와 같은 이리듐 산화물 환원 그래 핀 산화물 나노 하이브리드 박막 수정 스크린 인쇄 전극

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use ...

공학

Self-standing Electrochemical Set-up to Enrich Anode-respiring Bacteria On-site

Anaerobic respiration coupled with electron transport to insoluble minerals (referred to as extracellular electron transport [EET]) is thought to be critical for microbial energy production and persistence in many subsurface environments, especially those lacking soluble terminal electron acceptors. While EET-capable microbes have been successfully isolated from various environments, the diversity of bacteria capable of EET is still poorly understood, especially in difficult-to-sample, low energy or extreme environments, such as many subsurface ecosystems. Here, we describe an on-site electrochemical system to enrich EET-capable bacteria using an anode as a respiratory terminal electron acceptor. This anode is connected&#160;to a cathode capable of&#160;catalyzing abiotic oxygen reduction. Comparing this approach with electrocultivation methods that use a potentiostat for poising the electrode potential, the two-electrode system does not require an external power source. We present an example of our on-site enrichment utilized in an alkaline pond at the Cedars, a terrestrial serpentinization site in Northern California. Prior attempts to cultivate mineral reducing bacteria were unsuccessful, which is likely due to the low-biomass nature of this site and/or the low relative abundance of metal reducing microbes. Prior to implementing our two-electrode enrichment, we measured the vertical profile of dissolved oxygen concentration. This allowed us to place the carbon felt anode and platinum-electroplated carbon felt cathode at depths that would support anaerobic and aerobic processes, respectively. Following on-site incubation, we further enriched the anodic electrode in the laboratory and confirmed&#160;a distinct microbial community compared to the surface-attached or biofilm communities normally observed at the Cedars. This enrichment subsequently led to the isolation of the first electrogenic microbe from the Cedars. This method of on-site microbial enrichment has the potential to greatly enhance the isolation of EET-capable bacteria from low biomass or difficult to sample habitats.

On-site microbial enrichment or in situ cultivation techniques can facilitate the isolation of difficult-to-culture microbial taxa, especially from low-biomass or geochemically extreme environments. Here, we describe an electrochemical set-up without using an external power source to enrich microbial strains that are capable of extracellular electron transport (EET).

현장 양극 다 박테리아를 풍부 하 게 각자 서 있는 전기 설정

Anaerobic respiration coupled with electron transport to insoluble minerals (referred to as extracellular electron transport [EET]) is thought to be ...

환경과학

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

집중 된 이온 빔 제작 현장에서 테스트 LiPON 기반 고체 리튬-이온 Nanobatteries

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

원래의 Lithiated 참조 전극: 4 개의 전극 디자인-operando 임피던스 분광학에 대 한

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries of the metal. Using this method, a crack free, thin-film macroelectrode surface with up to 40 times increase in active surface area was obtained. The roughening is easy to do in a standard electrochemical characterization laboratory and incudes the application of voltage pulses followed by extended application of a reductive voltage in a perchloric acid solution. The protocol includes the chemical and electrochemical preparation of both a macroscale (1.2 mm diameter) and microscale (20 &#181;m diameter) platinum disc electrode surface, roughening the electrode surface and characterizing the effects of surface roughening on electrode active surface area. This electrochemical characterization includes cyclic voltammetry and impedance spectroscopy and is demonstrated for both the macroelectrodes and the microelectrodes. Roughening increases electrode active surface area, decreases electrode impedance, increases platinum charge injection limits to those of titanium nitride electrodes of same geometry and improves substrates for adhesion of electrochemically deposited films.

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries. The electrochemical techniques of cyclic voltammetry and impedance spectroscopy are demonstrated to characterize these electrode surfaces.

박막 백금 매크로 및 마이크로 전극의 전기 화학 적 거칠기

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries ...

Electrochemical Preparation of Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Layers on Gold Microelectrodes for Uric Acid-Sensing Applications

Two different methods for the synthesis of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) on gold electrodes are described, using electropolymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) monomer in an aqueous and an organic solution. Cyclic voltammetry (CV) was used in the synthesis of PEDOT thin layers. Lithium perchlorate (LiClO4) was used as a dopant in both aqueous (aqueous/acetonitrile (ACN)) and organic (propylene carbonate (PC)) solvent systems. After the PEDOT layer was created in the organic system, the electrode surface was acclimatized by successive cycling in an aqueous solution for use as a sensor for aqueous samples. 
The use of an aqueous-based electropolymerization method has the potential benefit of removing the acclimatization step to have a shorter sensor preparation time. Although the aqueous method is more economical and environmentally friendly than the organic solvent method, superior PEDOT formation is obtained in the organic solution. The resulting PEDOT electrode surfaces were characterized by scanning electron microscopy (SEM), which showed the constant growth of PEDOT during electropolymerization from the organic PC solution, with rapid fractal-type growth on gold (Au) microelectrodes.

Electrochemical Preparation of Poly3,4-Ethylenedioxythiophene Layers on Gold Microelectrodes for Uric Acid-Sensing Applications

We describe aqueous and organic solvent systems for the electropolymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) to create thin layers on the surface of gold microelectrodes, which are used for sensing low molecular weight analytes.

요산 감지 응용 분야를 위한 금 미세전극 위에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 층의 전기화학적 제조

Two different methods for the synthesis of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) on gold electrodes are described, using electropolymerization of ...

Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation

Here, we report the engineering of a solid-state micro pH sensor based on polyaniline-functionalized, electrochemically reduced graphene oxide (ERGO-PA). Electrochemically reduced graphene oxide acts as the conducting layer and polyaniline acts as a pH-sensitive layer. The pH-dependent conductivity of polyaniline occurs by doping of holes during protonation and by the dedoping of holes during deprotonation. We found that an ERGO-PA solid-state electrode was not functional as such in fermentation processes. The electrochemically active species that the bacteria produce during the fermentation process interfere with the electrode response. We successfully applied Nafion as a proton-conducting layer over ERGO-PA. The Nafion-coated electrodes (ERGO-PA-NA) show a good sensitivity of 1.71 &#937;/pH (pH 4 - 9) for chemiresistive sensor measurements. We tested the ERGO-PA-NA electrode in real-time in the fermentation of Lactococcus lactis. During the growth of L. lactis, the pH of the medium changed from pH 7.2 to pH 4.8 and the resistance of the ERGO-PA-NA solid-state electrode changed from 294.5 &#937; to 288.6 &#937; (5.9 &#937; per 2.4 pH unit). The pH response of the ERGO-PA-NA electrode compared with the response of a conventional glass-based pH electrode shows that reference-less solid-state microsensor arrays operate successfully in a microbiological fermentation.

Here, we report the protocol for the fabrication of a Nafion-coated, polyaniline-functionalized, electrochemically reduced graphene oxide chemiresistive micro pH sensor. This chemiresistor-based, solid-state micro pH sensor can detect pH changes in real-time during a Lactococcus lactis fermentation process.

Nafion 코팅의 제조, 미생물 발효 하는 동안 실시간 산도 모니터에 그래 핀 산화물/폴리아닐린 Chemiresistive 센서 감소

Here, we report the engineering of a solid-state micro pH sensor based on polyaniline-functionalized, electrochemically reduced graphene oxide (ERGO-PA). ...

생체공학

<meta charset="utf8"></head><body>DHNA를 사용한 Lactiplantibacillus plantarum 의 EET 크로노암페로메트리 분석

Characterizing Mediated Extracellular Electron Transfer in Lactic Acid Bacteria with a Three-Electrode, Two-Chamber Bioelectrochemical System

Many bacteria perform extracellular electron transfer (EET), whereby electrons are transferred from the cell to an extracellular terminal electron acceptor. This electron acceptor can be an electrode and electrons can be delivered indirectly via a redox-active mediator molecule. Here, we present a protocol to study mediated EET in Lactiplantibacillus plantarum, a probiotic lactic acid bacterium widely used in the food industry, using a bioelectrochemical system. We detail how to assemble a three-electrode, two-chambered bioelectrochemical system and provide guidance on characterizing EET in the presence of a soluble mediator using chronoamperometry and cyclic voltammetry techniques. We use representative data from 1,4-dihydroxy-2-naphthoic acid (DHNA)-mediated EET experiments with L. plantarum to demonstrate data analysis and interpretation. The techniques described in this protocol can open new opportunities for electro-fermentation and bioelectrocatalysis. Recent applications of this electrochemical technique with L. plantarum demonstrated an acceleration of metabolic flux towards producing fermentation end-products, which are critical flavor components in food fermentation. As such, this system has the potential to be further developed to alter flavors in food production or produce valuable chemicals.

<meta charset="utf8"></head><body>Characterizing Mediated Extracellular Electron Transfer in Lactic Acid Bacteria with a Three-Electrode, Two-Chamber Bioelectrochemical System

Here we present a protocol for characterizing mediated extracellular electron transfer (EET) in lactic acid bacteria using a three-electrode, two-chamber bioelectrochemical system. We illustrate this method with Lactiplantibacillus plantarum and the redox mediator 1,4-dihydroxy-2-naphthoic acid and provide a thorough description of the electrochemical techniques used to evaluate mediated EET.

붕소 도핑 다이아몬드 전극 품질 및 응용 프로그램에 대한 평가

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전기 및 Bioelectrochemically 유도 암모늄 복구

일회용 전기 종이 마이크로 유체의 pH 센서와 같은 이리듐 산화물 환원 그래 핀 산화물 나노 하이브리드 박막 수정 스크린 인쇄 전극

현장 양극 다 박테리아를 풍부 하 게 각자 서 있는 전기 설정

집중 된 이온 빔 제작 현장에서 테스트 LiPON 기반 고체 리튬-이온 Nanobatteries

원래의 Lithiated 참조 전극: 4 개의 전극 디자인-operando 임피던스 분광학에 대 한

박막 백금 매크로 및 마이크로 전극의 전기 화학 적 거칠기

요산 감지 응용 분야를 위한 금 미세전극 위에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 층의 전기화학적 제조

Nafion 코팅의 제조, 미생물 발효 하는 동안 실시간 산도 모니터에 그래 핀 산화물/폴리아닐린 Chemiresistive 센서 감소

Characterizing Mediated Extracellular Electron Transfer in Lactic Acid Bacteria with a Three-Electrode, Two-Chamber Bioelectrochemical System

Characterizing Mediated Extracellular Electron Transfer in Lactic Acid Bacteria with a Three-Electrode, Two-Chamber Bioelectrochemical System