百欧林 Oct 29, ’11 < 20210729

具有耗散监测功能的电化学石英晶体微天平(EQCM-D)

具有耗散因子检测的电化学石英晶体微天平(EQCM-D)是一种强大的原位技术,可以作为电化学实验的有效补充工具。具有耗散因子检测的石英晶体微天平(QCM-D)是一种高灵敏的表界面技术,可以从纳米级的灵敏度监测表界面的实时变化。当与电化学工作站联合使用时,它可以提供电极表面发生电子转移过程中的表面质量和结构变化信息,例如电聚合、离子嵌入、腐蚀和电沉积。 百欧林生产的QSense QCM-D拥有的专利技术可以在多倍频下测量数据,从而能够在介观尺度下表征粗糙/多孔的锂离子电池电极(参考文献5-8)。

QSense电化学模块可以实现在同一表面上同时进行QCM-D和电化学测量。 EQCM-D技术可在不同条件下进行实验,大大提高研究的灵活性,例如,可以在有机溶剂和其他苛刻的介质中进行实验,也可以使用适当的连接装置将整个EQCM-D装置放置在手套箱中,在无氧条件下进行测量。 此外,QSense提供了多种芯片表面作为模拟电极,也可以定制芯片表面以满足用户的要求。

如何设置EQCM-D实验

图1显示了QSense Explorer(图1A),QSense 电化学模块(图1B)和安装了电化学模块的QSense Explorer样品台(图1C)的图片。 QSense 电化学模块采用三电极配置,其中传感器表面作为工作电极,Pt板作为对电极,定制的低泄漏Ag / AgCl电极用作参比电极。也可以使用自制的参比电极进行实验,以满足特殊有机溶剂的应用。该模块也可以用于两电极的电化学系统,需要使用提供的特氟龙盖密封参比电极接口。图1B中所示的接口中有三个被用于将电极与电化学工作站连接。另外两个接口分别连接到进样管和出样管,并且可以以流动或静止模式进行实验(图1C)。

图1: (A) QSense Explorer仪器,(B)QSense 电化学模块和(C)QCM-D电化学联用装置(Biolin Scientific)

图2:EQCM-D示意图

图2中的示意图展示了该装置的内部结构。 安装在底部的QSense传感器用作工作电极; 通过使用QCM-D监测芯片的频率(f)和耗散(D)变化,可以实时测量电化学环境中表面发生的任何变化。 Pt板用作对电极,参比电极安装在靠近工作电极(约4-5 mm)的出口液流中。

QSense 窗口电化学模块

对于光敏电化学实验,Biolin Scientific提供了配备有1毫米厚蓝宝石玻璃窗口的窗口电化学模块,该窗口允许外部光照射到芯片表面(图3B)。 在窗口电化学模块的玻璃上,溅射了一个铂环电极,该铂环电极用作对电极(CE)(图3C)。 芯片作为工作电极(WE)。 参比电极(RE)放置在出口液体流路中。

图3:(A)QCM-D窗口电化学设置(B)QSense 电化学窗口模块(C)电化学窗口中的Pt对电极图片(Biolin Scientific)

EQCM-D装置将QCM-D测量与典型的电化学实验相结合,如循环伏安法(CV),安培法,伏安法和电化学阻抗谱(EIS),可实现在同一时间,同一表面,两种技术联用表征。

图4显示了在以50 mV / s的速率从+0.3 V到-0.5V的电压循环4次时,铜离子在QSense金芯片表面吸附和剥离整个过程中的QCM-D和电化学数据。 硫酸铜溶液10 mM CuSO4溶解于0.1 M H2SO4 用作电解质。 Δf的减小表示表面上有物质吸附,而∆D的增大表示膜的粘弹性变化。与∆f的变化相比,在这种情况下的耗散相对较低,这表明铜膜是以一种刚性的结构被牢固地吸附在芯片表面上,而且镀铜和剥离的过程是可逆的(数据来自Biolin Scientific)。

图4:频率∆f,耗散∆D和电流I以50 mV / s的速率从+0.3 V到-0.5 V到+0.5 V的循环四次

EQCM-D的应用:

近年来,在电化学研究的每个领域,EQCM-D的应用都在不断增长。包括能量存储、聚合物膜、生物分子、生物传感器和腐蚀。

储能领域十大EQCM-D必读文献:

点击链接阅读应用手册:储能材料表面和表面反应的表征

EQCM-D已成功用于表征能量存储和转换的电极材料。 该技术还已用于分析各种条件下固体电解质膜(SEI)的形成,生长和机械性能。 在各种电化学条件下,已经研究了诸如电解质组成,添加剂和电核污染等变量对电极性能的影响。 以下是与EQCM-D储能应用相关的十篇文献列表:

  1. Narayan et al. Electrochemically Induced Changes in TiO2 and Carbon Films Studied with QCM-D, ACS Applied Energy Materials, 2020 3 (2), 1775-1783.
  2. Zhang et al. Charge Storage Mechanism of a Quinone Polymer Electrode for Zinc-ion Batteries, Journal of the Electrochemical society, 2020 167, 070558
  3. Shpigel et al. EQCM-D technique for complex mechanical characterization of energy storage electrodes: Background and practical guide, Energy Storage Materials, 2019, 21, 399-413.
  4. Kitz, et al. Operando EQCM-D with simultaneous in situ EIS: New insights into interphase formation in Li-ion batteries, Anal. Chem. 2019, 91, 3, 2296–
  5. Shpigel et al. In Situ Real-Time Mechanical and Morphological Characterization of Electrodes for Electrochemical Energy Storage and Conversion by Electrochemical Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring, Acc. Chem. Res. 2018, 51, 1, 69–
  6. Levi et al. In Situ Porous Structure Characterization of Electrodes for Energy Storage and Conversion by EQCM-D: a Review, Electrochimica Acta, 2017, 232, 271-284.
  7. Shpigel et al. In situ hydrodynamic spectroscopy for structure characterization of porous energy storage electrodes. Nature Mater, 2016, 15, 570–
  8. Levi et al. Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring (EQCM-D) for in-situ studies of electrodes for supercapacitors and batteries: A mini-review, Electrochemistry Communications, 2016, 67, 16-21.
  9. Hubaud et al. Interfacial study of the role of SiO2 on Si anodes using electrochemical quartz crystal microbalance, Journal of Power Sources, 2015, 282, 639e644.
  10. Yang et al. Quantification of the Mass and Viscoelasticity of Interfacial Films on Tin Anodes Using EQCM‑D ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 26585−

聚合物薄膜EQCM-D研究:

一些文献也报道了EQCM-D在研究电化学引发的聚合物薄膜成核和生长以及这些薄膜的氧化还原的化学过程中发生的带电物质,溶剂和其他中性物的迁移方面的用途。以下是参考文献的列表:

  1. Wang et al. Real-time insight into the doping mechanism of redox-active organic radical polymers, Nature Mater, 2019,18, 69–75.
  2. Savva et al. Ionic-to-electronic coupling efficiency in PEDOT:PSS films operated in aqueous electrolytes, J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 12023.
  3. Persson et al. Electronic Control over Detachment of a Self-Doped Water-Soluble Conjugated Polyelectrolyte, Langmuir 2014, 30, 21, 6257–6266.
  4. Nilsson et al. Electrochemical quartz crystal microbalance study of polyelectrolyte film growth under anodic conditions, Applied Surface Science, 2013, 280,783-79.
  5. Schmidt et al. Electrochemically Controlled Swelling and Mechanical Properties of a Polymer Nanocomposite, ACS Nano, 2009, 3, 8, 2207–2216.

EQCM-D在生物传感器和生物分子吸附方面的研究

EQCM-D在将生物分子吸附到表面的生物传感器领域中的应用包括选择性吸附并监控氧化还原蛋白、细胞、DNA等的生物分子响应。

  1. Aruã C. da Silva et al. Electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation investigation of fibronectin adsorption dynamics driven by electrical stimulation onto a conducting and partially biodegradable copolymer, Biointerphases, 2020, 15, 021003.
  2. Jhih‐Guang Wu et al. ,In Situ Probing Unusual Protein Adsorption Behavior on Electrified Zwitterionic Conducting Polymers, Advance materials Interfaces, 2020
  3. Xueling Quana et al. In-situ monitoring of potential enhanced DNA related processes using electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation (EQCM-D), Electrochemistry Communications, 2014, 48, 111-114

使用EQCM-D进行腐蚀研究

有许多出版物报道了电化学QCM-D在研究表面腐蚀中的用途。 以下论文报告了EQCM-D在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中用于电极腐蚀分析的用途。

  1. Wickman, B, Grönbeck, H, Hanarp, P, and Kasemo, B. Corrosion Induced Degradation of Pt/C Model Electrodes Measured with Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, Journal of the Electrochemical Society 157 (4), B592-B598 (2010).

上面列出的文献仅包括EQCM-D技术的部分常见应用。可能还错过了许多其他应用领域。 如果您的课题组正在使用EQCM-D进行其他研究,请与我们联系,我们将添加至我们的应用文献中。

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