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]

${\displaystyle \Delta f=-({\frac {2f_{o}^{2}}{S\surd (\mu \rho )}})\Delta m=-K\Delta m}$^[6]

где ${\displaystyle \Delta f}$ - измеренный сдвиг частоты (${\displaystyle Hz}$), S - кварц активная область кристалла (${\displaystyle cm^{2}}$), ρ - плотность кристалла кварца, ${\displaystyle \mu }$ это кварц модуль сдвига кристалла и ${\displaystyle f_{o}}$ 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]

${\displaystyle M^{z+}+ze^{-}\longrightarrow M}$^[6]

В плотность заряда (${\displaystyle {\frac {\Delta Q}{C}}\cdot cm^{-2}}$) участвует в электровосстановлении ионы металлов при постоянном токе ${\displaystyle I}$, в период времени ${\displaystyle \Delta T}$ (${\displaystyle \Delta Q=I\Delta t}$).^[6]

Активная поверхностная плотность рассчитывается по формуле

${\displaystyle \Delta m={\frac {A_{m}}{zF}}\Delta Q}$^[6]

где ${\displaystyle A_{m}}$ это атомный вес наплавленного металла, z - электровалентность, а F - Постоянная Фарадея.^[6]

Экспериментальная чувствительность EQCM рассчитывается путем расчесывания ${\displaystyle \Delta m}$ и ${\displaystyle \Delta f}$.^[6]

${\displaystyle K=-{\frac {zF}{A_{m}}}{\frac {\Delta f}{\Delta Q}}}$^[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, СОЭ они 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. 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. 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. 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. 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. 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.
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.