Atenção: por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança (SDS) relevantes antes de usar. Vários dos produtos químicos utilizados neste protocolo são agudamente tóxico, carcinogénico, oxidante e explosivo quando utilizado em altas concentrações. Os nanomateriais podem ter perigos adicionais em comparação com a sua contraparte a granel. Por favor, use todas as práticas de segurança apropriadas ao realizar este protocolo, incluindo o uso de controles de engenharia (exaustor) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calças de corpo inteiro, sapatos fechados-toe).
1. limpeza do eléctrodo (s) pt antes da caracterização inicial e do desbaste superficial
- Limpe quimicamente os elétrodos o ozônio com um líquido de limpeza UV-ozônio do laboratório em 80 ° c por 10 minutos.
- Mergulhe a porção da sonda contendo o (s) eletrodo (es) em um solvente (por exemplo, uma imersão de 30 min em acetona para os microeletrodos demonstrados neste protocolo).
Nota: outros métodos podem ser mais eficazes para remover Organics dos elétrodos dependendo da carcaça e da geometria do elétrodo, mas este solvente que embebe trabalha bem para os elétrodos no protocolo.
- Limpe eletroquimicamente a superfície de todos os eletrodos por ciclo potencial repetitivo em uma solução ácida de ácido perclórico. A solução de ácido perclórico não necessita de purga para alterar a concentração de quaisquer gases presentes.
- Coloque as configurações no potenciostat para aplicar voltammogramas cíclicos (CVs) aos eletrodos. Digitalizar de 0,22 V para 1,24 V vs AG | AgCl (ou-0,665 V a 0,80 V vs eletrodo de referência de sulfato de mercúrio (MSE), a referência usada para desbaste) a uma taxa de varredura de 200 mV/s.
Nota: independentemente do material de referência utilizado, todos os potenciais neste artigo são dados em relação à AG | Eletrodo de referência AgCl (saturado com KCl). O deslocamento potencial entre o MSE (que contem 1,0 M H2assim4) usou-se neste estudo e AG | AgCl (saturado com KCl)é 0. 44 V11.
- No software EC-Lab, na guia experimento , pressione o sinal + para adicionar a técnica eletroquímica. Na janela pop-up, as técnicas de inserção serão exibidas.
- Clique em técnicas electroquímicas. Quando se expande, clique em técnicas Voltamperometric. Quando isso se expande, clique duas vezes em voltametria cíclica-CV. a linha 1-CV aparecerá na janela experimento .
- Na janela experimento , preencha os seguintes parâmetros:
Ei = 0 V vs EOC
dE/DT = 200 mV/s
E1 =-0,665 V vs ref
E2 = 0,8 V vs ref
n = 200
Medir < I > últimos 50% da duração da etapa
Record < I > média sobre N = 10 passos de tensão
Escala de E =-2,5; 2,5 V
Irange = auto
Largura de banda = 7
End Scan EF = 0 V vs EOC
- Mergulhe a ponta do eletrodo do dispositivo em uma solução de ácido perclórico de 500 mM (HClO4) que também contenha um eletrodo de contador de arame pt e referência MSE.
Nota: para evitar alterações nos processos eletroquímicos da contaminação do íon cloreto, um eletrodo de referência livre de cloreto (por exemplo, AG sem vazamento | AgCl ou MSE, etc.) deve ser usado para todos os testes realizados dentro de eletrólitos ácidos neste protocolo.
- Conecte um elétrodo ou Short diversos elétrodos de um dispositivo do multieletrodo junto como o elétrodo de trabalho.
- Conecte os eletrodos de trabalho, contador e referência ao potenciostat.
- No software EC-Lab, na janela experimento , pressione as configurações avançadas à esquerda.
- Em Configurações avançadas, selecione configuração do eletrodo = CE para terra. Conecte o eletrodo de trabalho, contador e referência às derivações do instrumento, conforme mostrado no diagrama de conexão do eletrodo.
- Pressione o botão executar (triângulo verde em janela experimento ) para iniciar o experimento.
- Realize ciclos de potencial repetitivos até que os voltammogramas pareçam visualmente sobrepor-se de um ciclo para o seguinte. Isso normalmente ocorre após 50-200 CVs.
2. caracterização eletroquímica da superfície do eletrodo antes do desbaste
- Realize todas as caracterizações eletroquímicas na configuração de 3 eletrodos descrita acima nas etapas 1.3.2-1.3.4. Todos os potenciais nos seguintes passos são dados em relação a um AG | Eletrodo de referência AgCl. Use um fio pt como o eletrodo de contador. Use um AG convencional | Eletrodo AgCl para caracterização realizada em solução salina tamponada com fosfato (PBS), mas use um AG sem vazamento | AgCl ou MSE como a referência para todos os testes executados em soluções ácidas.
- Configurações de carga no potenciostat para a aplicação de CVs de-0,22 a 1,24 V vs AG | AgCl (ou-0,665 V a 0,80 V vs MSE) a uma taxa de digitalização de 50 mV/s. submergir a ponta do eletrodo do dispositivo em uma taça de 500 mM HClO4 (desoxigenado com gás N2 por ≥ 10 min) que também contenha um eletrodo de contador de arame pt e referência MSE.
- No software EC-Lab, na guia experimento , pressione o sinal + para adicionar a técnica eletroquímica. Na janela pop-up, as técnicas de inserção serão exibidas.
- Clique em técnicas electroquímicas. Quando se expande, clique em técnicas Voltamperometric. Quando isso se expande, clique duas vezes em voltametria cíclica-CV. a linha 1-CV aparecerá na janela experimento .
- Na janela experimento , preencha os seguintes parâmetros:
Ei = 0 V vs EOC
dE/DT = 50 mV/s
E1 =-0,665 V vs ref
E2 = 0,8 V vs ref
n = 10
Medir < I > últimos 50% da duração da etapa
Record < I > média de N = 10 passos de tensão |
Escala de E =-2,5; 2,5 V
Irange = auto
Largura de banda = 7
Fim Scan EF = 0 V vs EOC
Nota: as únicas diferenças entre esta configuração e que descrito anteriormente na etapa 1,3 são o uso de 500 mM HClO4 desoxigenado e assegurando que apenas um eletrodo é usado como o eletrodo de trabalho. No software EC-Lab, na janela experimento , pressione as configurações avançadas à esquerda.
- Em Configurações avançadas, selecione configuração do eletrodo = CE para terra. Conecte o eletrodo de trabalho, contador e referência às derivações do instrumento, conforme mostrado no diagrama de conexão do eletrodo.
- Pressione o botão executar (triângulo verde em janela experimento ) para iniciar o experimento.
- Realize ciclos de potencial repetitivos até que os voltammogramas pareçam visualmente sobrepor-se de um ciclo para o seguinte.
- Calcule a área de superfície do eletrodo dos picos de adsorção de hidrogênio dos CVs altamente reprodutíveis (sobrepostos) usando o método de J. Rodríguez, et al.11.
- Determine a carga associada à adsorção de uma monocamada de hidrogênio (Q) à superfície do eletrodo, integrando os dois picos catódicos de um CV entre os potenciais onde a corrente catódica se afasta da corrente de dupla
camada () e o hidrogênio a evolução começa
() depois de subtrair a carga associada ao carregamento de monocamada
(). A taxa da varredura (ν) igualmente efetua esta adsorção. Use a equação abaixo para determinar Q.
A representação gráfica da área integrada pode ser encontrada em J. Rodríguez, et al.11.
- Calcule a área de superfície efetiva (A) de um eletrodo dividindo Q pela densidade de carga da formação de monocamada de hidrogênio (k). Para uma superfície de pinta policristalino atomicamente plana, k = 208 μC/cm2.
A = Q/k
- Se os dois picos catódicos de um CV de pt são mal resolvidos, estimar a área de superfície do eletrodo da capacitância de dupla camada na interface de solução de eletrodo. O uso da abordagem descrita na etapa 2.1.1 quando os picos de hidrogênio são mal resolvidos levará a resultados imprecisos.
- Meça os espectros da impedância de um único elétrodo condições de circuito aberto em PBS (pH 7,0, condutibilidade de 30 mS/cm). Mergulhe a ponta do elétrodo do dispositivo em PBS que igualmente contem um elétrodo do contador do fio do pt e uma referência MSE. Conecte um eletrodo de cada vez como o eletrodo de trabalho. Em seguida, use um potenciostat para aplicar uma onda do sinal da impedância com uma amplitude de 10 milivolt sobre a escala de freqüência 1 Hertz-100 quilohertz.
- No software EC-Lab, na guia experimento , pressione o sinal + para adicionar a técnica eletroquímica. Na janela pop-up, as técnicas de inserção serão exibidas.
- Clique em técnicas electroquímicas. Quando se expande, clique em espectroscopia de impedância. Quando isso se expande, clique duas vezes na espectroscopia de impedância eletroquímica Potentio. a linha 1-PEIS aparecerá na janela experimento .
- Na janela experimento , preencha os seguintes parâmetros:
Ei = 0 V vs EOC
Fi = 1 Hz
FF = 100 kHz
Nd = 6 pontos por década
Em espaçamento logarítmico
VA = 10 mV
PW = 0,1
Na = 3
NC = 0
Escala de E =-2,5; 2,5 V
Irange = auto
Largura de banda = 7
- No software EC-Lab, na janela experimento , pressione as configurações avançadas à esquerda.
- Em Configurações avançadas, selecione configuração do eletrodo = CE para terra. Conecte o eletrodo de trabalho, contador e referência às derivações do instrumento, conforme mostrado no diagrama de conexão do eletrodo.
- Pressione o botão executar (triângulo verde em janela experimento ) para iniciar o experimento.
- Determine a capacitância da camada dupla dos espectros de impedância do eletrodo (coletados na etapa 2.1.4.1) ajustando os espectros com um modelo de circuito equivalente usando o software de análise de impedância.
Nota: análise em resultados representativos e em Ivanovskaya, et al. 6 foi realizada com a ferramenta de encaixe de análise de impedância Z Fit.
- No software EC-Lab, clique em carregar arquivo de dados em menu de lista de experimentos .
- Selecione tipo de plotagem de impedância de Nyquist na barra de menu superior.
- Clique em análisee selecione espectroscopia de impedância eletroquímicae clique em Z Fit.
- Quando, em seguida, Z-Fit bio-Logics janela pop-up aparece, clique no botão Editar
- Selecione o circuito de exibição com 2 elementos e escolha R1 + Q1 na lista de modelos de circuitos equivalentes. Clique em OK.
- Expanda a seção de ajuste da janela pop-up e certifique-se de que as configurações são Randomize + simplex, parar Randomize em 5.000 iterações e parar de caber em 5.000 iterações.
- Pressione o botão Calculate e observe os espectros de ajuste iniciais adicionados ao gráfico. Pressione minimizar e observe o ajuste finalizado.
- Ajuste os limites de ajuste (círculos verdes) para excluir dados barulhentos ou distorcidos do ajuste. Parâmetros de ajuste estimado aparecerá na seção de resultados .
- Assegure-se de que o modelo de circuito equivalente calculado se ajuste a um gráfico de Nyquist dos dados que inclua a resistência Ôhmico (R) em série com um ângulo de fase constante (CPE).
- Anote o valor de capacitância da camada dupla (Q) que faz parte do CPE no modelo de circuito equivalente.
- Estimar a mudança na área de superfície como uma proporção de Q medido antes e depois do desbaste, uma vez que a capacitância de dupla camada (Q) aumenta linearmente com a área de superfície ativa12.
3. desbaste eletroquímico de um macroeletrodo
Nota: o desbaste eletroquímico é conduzido por uma série de pulsos de oxidação/redução que resultam em crescimento e dissolução de óxido. No caso de um Anion adsorção fracamente (como o HClO4), esta dissolução é acompanhada por redeposição pt cristalito, enquanto no caso de aniões fortemente adsorvendo (como H2so4) este processo resulta em grão preferencial pt dissolução que cria microfissuras na superfície do eletrodo6. Portanto, o uso de eletrólitos HClO4 de alta pureza é essencial para evitar microfissuras na superfície do eletrodo.
- Use um potenciostat capaz de aplicar pulsos da tensão com a largura de pulso de 2 ms para Rough macroeletrodos. Este procedimento pode ser feito com um ou outro potenciostat na lista de materiais de acompanhamento.
- Programe os seguintes parâmetros no potenciostat para Rough um macroelétrodo do disco do pt do diâmetro de 1,2 milímetros.
- Inicie o protocolo de desbaste com uma série de pulsos de oxidação/redução entre-0,15 V (Vmin) e 1,9-2,1 V (vmáx) em 250 Hz com um ciclo de trabalho de 1:1 para 10-300 s. A duração da aplicação do pulso determina a extensão do rugosidade, mais longo o pulsando mais rugosidade ocorre. Use a Figura 1a e a discussão como um guia para ajudar a determinar os parâmetros específicos necessários para atingir uma rugosidade superficial específica.
- Abra o programa VersaStudio.
- Expanda o menu experimento e selecione novo.
- Na janela pop-up Selecionar ação que aparece, escolha pulsos potenciais rápidos e insira o nome de arquivo desejado quando solicitado. Linha de pulsos de potencial rápido aparecerá em ações a serem executadas Tab.
- Preencha o seguinte as Propriedades de pulsos de potencial rápido/Propriedades de pulso. Digite o número de pulsos = 2, potencial (v) 1 =-0,39 vs ref para 0, 2 s, e potencial (v) 2 = 1,56 vs ref para 0, 2 s.
- Em Propriedades de digitalização, preencha: tempo por ponto = 1 s, número de ciclos: 50.000 (para 200 s duração).
- Em Propriedades do instrumento, insira o intervalo atual = auto.
- Programe o potenciostat para seguir imediatamente a série de pulsos com uma aplicação prolongada de um potencial de redução constante (-0,15 V (ou-0,59 V contra MSE) para 180 s) para reduzir inteiramente todos os óxidos produzidos e estabilizar a superfície do elétrodo.
- No software VersaStudio, pressione o botão + para inserir uma nova etapa.
- Clique duas vezes em Chronoamperometry.
- Insira o potencial (V) =-0,59, tempo por ponto (s) = 1, e duração (s) = 180.
- Use a representação visual do paradigma descrito nas etapas 3.2.1. e 3.2.2 (Figura 2) para auxiliar na programação do potenciostat.
Nota: parâmetros específicos variarão para diferentes geometrias de eletrodos, mas usando os parâmetros acima como um ponto de partida e, em seguida, variando Vmáx e duração do pulso é o método recomendado para otimizar os parâmetros de desbaste para outras geometrias. Usar uma solução HClO4 de alta pureza é essencial para esta etapa.
- Mergulhe o eletrodo contendo a ponta do dispositivo em 500 mM HClO4 que também contém um eletrodo de contador de arame pt e eletrodo de referência MSE. Em seguida, conecte um eletrodo individual como o eletrodo de trabalho e aplique o paradigma pulsante para Rough o eletrodo.
- No VersaStudio, pressione o botão Run no menu para iniciar o desbaste.
4. desbaste eletroquímico de um microeletrodo
- Use um potenciostat que possa aplicar pulsos da tensão com a largura de pulso de 62,5 μs para Rough microeletrodos. O potenciostato Vmp-300 na lista de materiais não é capaz de aplicar estes pulsos curtos, enquanto que o potenciômetro versastat 4 pode aplicar os pulsos rápidos necessários para Rough microeletrodos de película fina.
- Programe os seguintes parâmetros no potenciostat para Rough um microelétrodo do disco do pt do diâmetro de 20 μm fabricado nivelado com seu material de isolamento. O protocolo de desbaste pode ser aplicado a um único eletrodo ou a vários eletrodos em curto-circuito (ver explicação adicional na etapa 4,3).
- Inicie o protocolo de desbaste com uma série de pulsos de oxidação/redução entre-0,25 V (Vmin) e 1,2-1,4 V (vmáx) em 4.000 Hz com um ciclo de trabalho de 1:3 (oxidação: larguras de pulso de redução) para 100 s. Use orientação na discussão para ajudar determinar os parâmetros específicos necessários para outras geometrias de eletrodos.
- Abra o programa VersaStudio.
- Expanda o menu experimento e selecione novo.
- Na janela pop-up Selecionar ação que aparece, escolha pulsos potenciais rápidos e insira o nome de arquivo desejado quando solicitado. Linha de pulsos de potencial rápido aparecerá em ações a serem executadas Tab.
- Preencha o seguinte as Propriedades de pulsos de potencial rápido/Propriedades de pulso, digite o número de pulsos = 2, potencial (v) 1 =-0,49 vs ref para 0, 625 MS, e potencial (v) 2 = 1, 6 vs ref para 0,1875 MS.
- Em Propriedades de digitalização, preencha: tempo por ponto = 1 s e número de ciclos: 400.000 (para a duração de 100 s).
- Em Propriedades do instrumento, insira o intervalo atual = automático.
- Programe o potenciostat para seguir imediatamente a série de pulsos com um potencial de redução prolongado (-0,20 V para 180 s) para reduzir completamente todos os óxidos produzidos e estabilizar a química da superfície do elétrodo.
- No software VersaStudio, pressione o botão + para inserir uma nova etapa.
- Clique duas vezes em Chronoamperometry.
- Insira o potencial (V) =-0,64, tempo por ponto (s) = 1, e duração (s) = 180.
Nota: usar uma solução HClO4 de alta pureza é essencial para esta etapa.
- Mergulhe o eletrodo que contém a ponta do dispositivo em 500 mM HClO4 que também contém um eletrodo de contador de arame pt e referência MSE. Conecte então um elétrodo individual ou diversos elétrodos em curto como o elétrodo de trabalho e aplique o paradigma pulsando. Na modalidade potenciostatic, os elétrodos podem ser em curto quando a resistência do traço dentro do dispositivo é pequena. Nessa situação, a gota Ôhmico através de um dispositivo é insignificante assim que todos os elétrodos em curto experimentarão o potencial aplicado.
- No VersaStudio, pressione o botão Run no menu na parte superior da tela para iniciar o desbaste.
Nota: o desbaste dos microeletrodos pode requerer o ajuste dos parâmetros pulsantes, dependendo da geometria do eletrodo, da composição do pt e da topologia (por exemplo, profundidade de poço para um eletrodo embutido em material isolante). Comece com os parâmetros listados aqui e modifique o valor VMax para iniciar a otimização dos parâmetros de desbaste para diferentes geometrias de eletrodos. Os diferentes parâmetros de pulsante para três geometrias diferentes estão resumidos na tabela 1.
5. Caracterização da superfície do eletrodo após desbaste
- Determine o aumento na área de superfície eficaz dos macroeletrodos usando as etapas 2.1.1-2.1.5.
- Determine o aumento na área de superfície eficaz dos microeletrodos usando as etapas 2.1.1-2.1.5.
- Observe as alterações na aparência do eletrodo após o desbaste na microscopia óptica como uma perda de brilho metálico (ver resultados representativos) e na microscopia eletrônica de varredura (MEV)6 como uma diminuição óbvia na lisura superficial.