WikiDer > Электрохимические кварцевые микровесы

Electrochemical quartz crystal microbalance
Схема электрохимических микровесов из кристаллов кварца

Электрохимические кварцевые микровесы (EQCM) является комбинацией электрохимия и кварцевые микровесы, который был сформирован в восьмидесятые годы.[1][2][3] Обычно устройство EQCM содержит электрохимические ячейки часть и часть QCM.[4] Два электрода с обеих сторон кристалла кварца служат двум целям.[4] Во-первых, между двумя электродами создается переменное электрическое поле, составляющее генератор.[4] Во-вторых, электрод, контактирующий с электролитом, используется как рабочий электрод (WE) вместе с противоэлектродом (CE) и электродом сравнения (RE) в потенциостатической цепи, составляющей электрохимическую ячейку.[4] Таким образом, рабочим электродом электрохимической ячейки является датчик QCM.[2]

Как измерение на месте с высокой массочувствительностью, EQCM подходит для мониторинга динамического отклика реакций на границе раздела электрод-раствор при приложенном потенциале.[5] При изменении потенциала металлического электрода QCM отслеживается отрицательное или положительное изменение массы в зависимости от соотношения поглощения анионов на поверхности электрода и растворения ионов металла в растворе.[5]

Калибровка EQCM

Коэффициент чувствительности EQCM K можно рассчитать, объединив измеренные электрохимические ячейки плотность заряда и сдвиг частоты, измеренный QCM.[6] Коэффициент чувствительности действителен только в том случае, если изменение массы на электроде однородно.[6] Иначе, K принимается как средний коэффициент чувствительности EQCM.[6]

[6]

где - измеренный сдвиг частоты (), S - кварц активная область кристалла (), ρ - плотность кристалла кварца, это кварц модуль сдвига кристалла и это фундаментальный кварц частота кристалла. K - коэффициент внутренней чувствительности EQCM.[6]

В определенном растворе электролита металлическая пленка осаждается на рабочем электроде, который является поверхностью датчика QCM QCM.[6]

[6]

В плотность заряда () участвует в электровосстановлении ионы металлов при постоянном токе , в период времени ().[6]

Активная поверхностная плотность рассчитывается по формуле

[6]

где это атомный вес наплавленного металла, z - электровалентность, а F - Постоянная Фарадея.[6]

Экспериментальная чувствительность EQCM рассчитывается путем расчесывания и .[6]

[6]

Приложение EQCM

Применение EQCM в электросинтезе

EQCM можно использовать для мониторинга химической реакции, происходящей на электроде, что обеспечивает оптимальные условия реакции путем сравнения факторов влияния в процессе синтеза.[7] Некоторые предыдущие работы уже исследовали процесс полимеризации и свойства переноса заряда,[8] рост полимерной пленки на поверхности золотого электрода,[9] и процесс полимеризации[10] из полипиррол и его производные. EQCM был использован для изучения процесса электрополимеризации и свойств легирования / удаления допирования. полианилин пленка на поверхности золотого электрода.[11] Чтобы исследовать электросинтез процесса, иногда необходимо комбинировать другие технологии характеризации, такие как использование FTIR и EQCM для изучения влияния различных условий на формирование структуры пленки поли (3,4-этилендиокситиофена),[12] и используя EQCM вместе с AFM, FTIR, EIS, чтобы исследовать процесс образования пленки в растворе электролита алкилкарбонат / соль лития на поверхности электродов из драгоценных металлов.[13]

Применение EQCM при электроосаждении и растворении

EQCM широко используется для изучения процесса осаждения / растворения на поверхности электрода, такого как колебания электродного потенциала во время Cu / CuO2 электроосаждение слоистой наноструктуры,[14] процесс роста осаждения кобальта и никеля гексацианоферрат в растворе электролита нитрата кальция и нитрата бария,[15] и электрохимическое поведение магниевого электрода в различных полярный апротический растворы электролитов.[16] EQCM можно использовать как мощный инструмент для коррозия и исследование защиты от коррозии, которое обычно сочетается с другими технологиями определения характеристик.[5] В предыдущей работе использовались EQCM и XPS исследовали изменение массы электродов из сплава Fe-17Cr-33Mo / Fe-25Cr во время экспериментов по развертке потенциала и скачку потенциала в области пассивного потенциала в кислотном и основном электролите.[17] В другой предыдущей работе использовались EQCM и SEM для изучения влияния пурин (PU) о коррозии медного электрода и самопроизвольном растворении в растворе электролита NaCl.[18]

Применение EQCM в адсорбции и десорбции

EQCM использовался для изучения самособирающиеся монослои длинноцепочечного алкилмеркаптана[19] и алкантиол и меркаптоалкановая кислота[20] на поверхности золотого электрода.

Применение EQCM в полимерно-модифицированном электроде

EQCM можно использовать для идеальной модификации полимера. мембраны вместе с другими электрохимическими измерениями или методами определения характеристик поверхности.[7] Команда использовала резюме, УФ-видимый, ИК и EQCM изучили необратимые изменения некоторых политиофены в процессе электрохимического восстановления в ацетонитрил.[21] Позже они использовали AFM и EQCM исследовали рост полипиррольной пленки в мицеллярном растворе анионного поверхностно-активного вещества. [22] Затем расчесываем резюме, УФ-видимый, FTIR, СОЭони использовали EQCM для изучения проводимости и магнитных свойств 3,4-диметокси и 3,4-этилендиокси-концевых полипиррола и политиофена.[23]

Применение EQCM в преобразовании и хранении энергии

EQCM можно использовать для изучения процесса адсорбции и окисления молекул топлива на поверхности электрода, а также влияния электродного катализатора или других добавок на электрод, таких как оценка внутренней Pt-нагрузки полипиррола в топливном элементе из полипиррола / платины, композитного топлива.[24] процесс анодирования топливных элементов на метаноле, [25] и электроосаждение суспендированных наночастиц оксида церия, легированных оксидом гадолиния, под действием ультразвука на Co / CeO2 и Ni / CeO2 композитные топливные элементы.[26] EQCM также можно использовать для изучения характеристик накопления энергии и влияющих факторов суперконденсаторов.[27] и электрохимические конденсаторы. Например, EQCM используется для изучения датчика движения ионов проводящего полимера конденсатора на катоде.[28] В некоторых работах изучается применение EQCM в солнечной энергии, которое в основном связано с аддитивным и тонкопленочным материалом, например, с использованием EQCM для изучения процесса электрохимического осаждения и стабильности катализатора выделения кислорода Co-Pi для хранения солнечной энергии.[29]

Рекомендации

  1. ^ Шумахер, Р .; Borges, G .; Канадзава, К. (Ноябрь 1985 г.). «Кварцевые микровесы: чувствительный инструмент для исследования реконструкций поверхности золотых электродов в жидкости». Письма о науке о поверхности. 163 (1): L621 – L626. Bibcode:1985СурСЛ.163Л.621С. Дои:10.1016/0167-2584(85)90839-4. ISSN 0167-2584.
  2. ^ а б Брукенштейн, Стэнли; Шей, Майкл (июнь 1985). «Исследование in situ механизма формирования монослоя адсорбированного кислорода на золотом электроде». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии. 188 (1–2): 131–136. Дои:10.1016 / с0022-0728 (85) 80057-7. ISSN 0022-0728.
  3. ^ Канадзава, К. Кейджи .; Гордон, Джозеф Г. (июль 1985 г.). «Частота контакта кварцевых микровесов с жидкостью». Аналитическая химия. 57 (8): 1770–1771. Дои:10.1021 / ac00285a062. ISSN 0003-2700.
  4. ^ а б c d Стрейнц, Кристофер С. (1995). «Влияние тока и концентрации нитрата никеля на осаждение пленок гидроксида никеля». Журнал Электрохимического общества. 142 (4): 1084–1089. Bibcode:1995JELS..142.1084S. Дои:10.1149/1.2044134. ISSN 0013-4651.
  5. ^ а б c Schmutz, P .; Ландольт, Д. (декабрь 1999 г.). «Исследование переходного отклика пассивного сплава Fe25Cr с помощью электрохимического микровесов кристаллов кварца». Electrochimica Acta. 45 (6): 899–911. Дои:10.1016 / с0013-4686 (99) 00293-5. ISSN 0013-4686.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Габриэлли, К. (1991). «Калибровка электрохимических микровесов из кристаллов кварца». Журнал Электрохимического общества. 138 (9): 2657–2660. Bibcode:1991JELS..138.2657G. Дои:10.1149/1.2086033. ISSN 0013-4651.
  7. ^ а б yan, xiao (ноя 2018). «Применение электрохимических микровесов из кристаллов кварца». Прогресс в химии. 30 (11): 1701.
  8. ^ 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.
  9. ^ Чунг, Сун-Ми; Пайк, Вун-ки; Ё, Ин-Хён (январь 1997 г.). «Исследование начального роста полипиррола на золотом электроде с помощью электрохимических кварцевых микровесов». Синтетические металлы. 84 (1–3): 155–156. Дои:10.1016 / s0379-6779 (97) 80690-х. ISSN 0379-6779.
  10. ^ Bose, C. S. C .; Basak, S .; Раджешвар К. (ноябрь 1992 г.). «Электрохимия пленок поли (пирролхлорида): исследование эффективности полимеризации, ионного транспорта во время окислительно-восстановительного процесса и определение уровня легирования с помощью электрохимической микрогравиметрии кристаллов кварца, измерения pH и ионоселективных электродов». Журнал физической химии. 96 (24): 9899–9906. Дои:10.1021 / j100203a059. ISSN 0022-3654.
  11. ^ Баба, Акира; Тиан, Шэнцзюнь; Стефани, Фернандо; Ся, Чуаньцзюнь; Ван, Чжэхуэй; Адвинкула, Ригоберто С; Йоханнсманн, Дитхельм; Knoll, Вольфганг (январь 2004 г.). «Электрополимеризационные и легирующие / дедопирующие свойства тонких пленок полианилина, изученные методами электрохимической поверхностной плазмонной спектроскопии и микровесов на кристаллах кварца». Журнал электроаналитической химии. 562 (1): 95–103. Дои:10.1016 / j.jelechem.2003.08.012. ISSN 1572-6657.
  12. ^ Kvarnström, C .; Neugebauer, H .; Blomquist, S .; Ahonen, H.J .; Kankare, J .; Иваска, А. (апрель 1999 г.). «Спектроэлектрохимическая характеристика поли (3,4-этилендиокситиофена) in situ». Electrochimica Acta. 44 (16): 2739–2750. Дои:10.1016 / с0013-4686 (98) 00405-8. ISSN 0013-4686.
  13. ^ Aurbach, D .; Мошкович, М .; Cohen, Y .; Шехтер, А. (апрель 1999 г.). «Исследование образования поверхностной пленки на электродах из благородных металлов в растворах алкилкарбонатов / солей лития с одновременным использованием in situ AFM, EQCM, FTIR и EIS». Langmuir. 15 (8): 2947–2960. Дои:10.1021 / la981275j. ISSN 0743-7463.
  14. ^ Боханнан, Эрик У .; Хуанг, Лин-Юанг; Миллер, Ф. Скотт; Шумский, Марк Г .; Свитцер, Джей А. (февраль 1999 г.). "Исследование на месте электрохимических кристаллов кварца с помощью микровесов потенциальных колебаний во время электроосаждения слоистых наноструктур Cu / Cu2O". Langmuir. 15 (3): 813–818. Дои:10.1021 / la980825a. ISSN 0743-7463.
  15. ^ 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.
  16. ^ Lu, Z .; Schechter, A .; 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 / с0022-0728 (99) 00146-1. ISSN 1572-6657.
  17. ^ Schmutz, P; Ландольт, Д. (ноябрь 1999 г.). «Микрогравиметрические исследования in-situ пассивных сплавов: эксперименты с разверткой потенциала и ступенчатым потенциалом с Fe – 25Cr и Fe – 17Cr – 33Mo в кислотных и щелочных растворах». Наука о коррозии. 41 (11): 2143–2163. Дои:10.1016 / s0010-938x (99) 00038-4. ISSN 0010-938X.
  18. ^ Сцендо, М. (февраль 2007 г.). «Влияние пурина на коррозию меди в хлоридных растворах». Наука о коррозии. 49 (2): 373–390. Дои:10.1016 / j.corsci.2006.06.022. ISSN 0010-938X.
  19. ^ Schneider, Thomas W .; Баттри, Дэниел А. (декабрь 1993 г.). «Электрохимические исследования микробаланса 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.
  20. ^ Кавагути, Тошиказу; Ясуда, Хироаки; Симадзу, Кацуаки; Портер, Марк Д. (декабрь 2000 г.). "Электрохимическое исследование микровесов кристаллов кварца восстановительной десорбции самоорганизованных монослоев алкантиолов и меркаптоалкановых кислот на Au". Langmuir. 16 (25): 9830–9840. Дои:10.1021 / la000756b. ISSN 0743-7463.
  21. ^ Zotti, G .; Schiavon, G .; Зекчин, С. (июнь 1995 г.). «Необратимые процессы при электрохимическом восстановлении 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.
  22. ^ Наои, Кацухико (1995). "Электрохимия полипиррольной пленки, легированной поверхностно-активными веществами (I): формирование столбчатой ​​структуры путем электрополимеризации". Журнал Электрохимического общества. 142 (2): 417–422. Bibcode:1995JELS..142..417N. Дои:10.1149/1.2044042. ISSN 0013-4651.
  23. ^ Зотти, Джанни; Зекчин, Сандро; Скьявон, Жильберто; Грюнендал, Л. «Берт» (октябрь 2000 г.). «Проводящие и магнитные свойства полипиррола и политиофена с 3,4-диметокси- и 3,4-этилендиоксигруппой». Химия материалов. 12 (10): 2996–3005. Дои:10.1021 / см 000400l. ISSN 0897-4756.
  24. ^ Шмидт, В. М .; Стимминг, У. (1996), "Системы топливных элементов для транспортных средств", Новые перспективные электрохимические системы для аккумуляторных батарей, Дордрехт: Springer, Нидерланды, стр. 233–246, Дои:10.1007/978-94-009-1643-2_17, ISBN 978-94-010-7235-9
  25. ^ WU, Q; ZHEN, C; ZHOU, Z; ВС, Ю (фев 2008). «Электрохимическое поведение необратимо адсорбированной сурьмы на золотом электроде». Acta Physico-Chimica Sinica. 24 (2): 201–204. Дои:10.1016 / с 1872-1508 (08) 60010-8. ISSN 1872-1508.
  26. ^ Argirusis, Chr .; Matić, S .; Шнайдер, О. (октябрь 2008 г.). «Исследование EQCM ультразвукового электроосаждения композитов Co / CeO2 и Ni / CeO2 для применения в топливных элементах». Physica Status Solidi (А). 205 (10): 2400–2404. Bibcode:2008PSSAR.205.2400A. Дои:10.1002 / pssa.200779409. ISSN 1862-6300.
  27. ^ Леви, Михаэль Д .; Салитра, Григорий; Леви, Наоми; Аурбах, Дорон; Майер, Иоахим (18 октября 2009 г.). «Применение микровесов с кварцевым кристаллом для измерения потоков ионов в микропористых углях для хранения энергии». Материалы Природы. 8 (11): 872–875. Bibcode:2009НатМа ... 8..872Л. Дои:10.1038 / nmat2559. ISSN 1476-1122. PMID 19838184.
  28. ^ Фаррингтон, Г. (1991-07-01). «Полимерные электролиты для литиевых батарей комнатной температуры». Дои:10.2172/5176162. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  29. ^ Иршад, Ахамед; Муничандрайя, Ноокала (11 апреля 2013 г.). "Исследование EQCM электрохимического осаждения и стабильности катализатора выделения кислорода Co – Pi для хранения солнечной энергии". Журнал физической химии C. 117 (16): 8001–8008. Дои:10.1021 / jp312752q. ISSN 1932-7447.