微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像

王志武; 庄健; 宁少慧; 程磊; 郑强强

doi:10.37188/OPE.20243210.1528

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微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2024-06-11

- 微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像
- Study on long-term and stable imaging approach of SECCM using microfluid pressure drive
- 光学精密工程 2024年32卷第10期页码：1528-1537
- 作者机构：
  
  1.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024
  2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049
- 作者简介：
  
  [ "王志武（1987-），男，内蒙古乌兰察布人，博士，讲师，2021年于西安交通大学获得博士学位，主要从事扫描探针显微技术方面的研究。E-mail： wangzhiwu@tyust.edu.cn" ]
  [ "庄健（1974-），男，江苏南通人，博士，教授，博士生导师，1996年、1999年、2002年于西安交通大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要研究方向为微纳测量技术、智能优化算法、机电控制系统。E-mail： zhuangjian@mail.xjtu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52175515);山西省基础研究计划青年项目(202203021222187);山西省优秀博士毕业生来晋工作奖励资助基金项目(20232068);太原科技大学科研启动基金项目(20222089)
- DOI：10.37188/OPE.20243210.1528
  中图分类号： TH742
- 收稿日期：2023-10-17，
  
  修回日期：2024-02-20，
  
  纸质出版日期：2024-05-25
- 稿件说明：
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王志武,庄健,宁少慧等.微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像[J].光学精密工程,2024,32(10):1528-1537.

WANG Zhiwu,ZHUANG Jian,NING Shaohui,et al.Study on long-term and stable imaging approach of SECCM using microfluid pressure drive[J].Optics and Precision Engineering,2024,32(10):1528-1537.
王志武,庄健,宁少慧等.微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像[J].光学精密工程,2024,32(10):1528-1537. DOI： 10.37188/OPE.20243210.1528.

WANG Zhiwu,ZHUANG Jian,NING Shaohui,et al.Study on long-term and stable imaging approach of SECCM using microfluid pressure drive[J].Optics and Precision Engineering,2024,32(10):1528-1537. DOI： 10.37188/OPE.20243210.1528.

摘要

为了提升扫描电化学池显微镜（SECCM）对复杂形貌表面电化学活性成像能力，以及避免探针尖端微液滴蒸发和结晶，进而实现长时间、稳定成像，构建了基于纳米移液管探针微流体压力驱动的扫描电化学成像系统。对探针尖端开口处的微液滴流量补偿、复杂表面形貌同步电化学活性成像可靠性等进行了研究。首先，构建了基于移液管探针微流体压力驱动的SECCM扫描成像系统。接着，建立了移液管微流体压力驱动的探针检测数值模型，研究了探针末端背压与探针尖端流体流量间的关系。然后，在理论模型分析的基础上，实验测试了微流体驱动新方法对具有较大表面形貌特征的玻碳电极材料和铝合金材料表面高分辨率形貌和电化学活性同步成像能力。实验结果表明：新方法可对硬质材料表面（样品表面高度起伏为探针开口直径20倍以上）实现长时间、稳定的电化学成像。新系统的研制将为研究人员在材料电化学、金属材料腐蚀研究提供强有力的工具。

Abstract

To enhance the imaging capability （achieve long-term and stable imaging） and avoid the evaporation and crystallization of micro-droplets at the probe tip in the scanning electrochemical cell microscopy （SECCM）， a scanning electrochemical imaging system was constructed and microfluidic pressure-driven was used in its nanopipette probe end. The new system has advantages in terms of electrochemical imaging especially for the complex sample surface. The compensation of micro-droplet flow rate at the opening of the probe tip was studied. The research related reliability of synchronous electrochemical active and surface topography imaging also was conducted. Firstly， a SECCM imaging system with a microfluidic pressure-driven was constructed. Then， a probe detection-based numerical model that use microfluidic pressure-driven pipette was established， and the relationship between the back pressure and the fluid flow rate at the back and tip of the probe was studied. Furthermore， with the theoretical model analysis， the novel microfluidic driving method was experimentally tested for its ability to synchronously image the high-resolution topography and electrochemical activity of carbon electrode materials and aluminum alloy materials with large surface morphology characteristics. The experimental results indicate that the new method can achieve long-term and stable electrochemical imaging on the surface of hard materials （with sample surface height fluctuations greater than 20 times the probe opening diameter）. The development of the new system will provide researchers with powerful tools for studying material electrochemistry and metal material corrosion.

关键词

Keywords

references

EBEJER N ， SCHNIPPERING M ， COLBURN A W ， et al . Localized high resolution electrochemistry and multifunctional imaging： scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2010 ， 82 （ 22 ）： 9141 - 9145 . doi: 10.1021/ac102191u http://dx.doi.org/10.1021/ac102191u

LIU G ， HAO L Z ， LI H ， et al . Topography mapping with scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2022 ， 94 （ 13 ）： 5248 - 5254 . doi: 10.1021/acs.analchem.1c04692 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04692

SANTANA SANTOS C ， JAATO B N ， SANJUÁN I ， et al . Operando scanning electrochemical probe microscopy during electrocatalysis ［J］. Chemical Reviews ， 2023 ， 123 （ 8 ）： 4972 - 5019 . doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00766 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00766

庄健，王志武，廖晓波 . 应用于高速离子电导扫描成像的双压电定位平台［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

ZHUANG J ， WANG Z W ， LIAO X B . Dual-stage piezo nanopositioner for high-speed ion conductance microscopy imaging ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

TAO B L ， UNWIN P R ， BENTLEY C L . Nanoscale variations in the electrocatalytic activity of layered transition-metal dichalcogenides ［J］. The Journal of Physical Chemistry C ， 2020 ， 124 （ 1 ）： 789 - 798 . doi: 10.1021/acs.jpcc.9b10279 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b10279

CHENG L ， JIN R ， JIANG D C ， et al . Scanning electrochemical cell microscopy platform with local electrochemical impedance spectroscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2021 ， 93 （ 49 ）： 16401 - 16408 . doi: 10.1021/acs.analchem.1c02972 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.1c02972

TETTEH E B ， VALAVANIS D ， DAVIDDI E ， et al . Fast Li-ion storage and dynamics in TiO 2 Nanoparticle clusters probed by smart scanning electrochemical cell m icroscopy ［J］. Angewandte Chemie International Edition ， 2023 ， 62 （ 9 ）： 2214493 . doi: 10.1002/anie.202214493 http://dx.doi.org/10.1002/anie.202214493

LI Y J ， MOREL A ， GALLANT D ， et al . Controlling surface contact， oxygen transport， and pitting of surface oxide via single-channel scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2022 ， 94 （ 42 ）： 14603 - 14610 . doi: 10.1021/acs.analchem.2c02459 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.2c02459

BENTLEY C L ， EDMONDSON J ， MELONI G N ， et al . Nanoscale electrochemical mapping ［J］. Analytical Chemistry ， 2019 ， 91 （ 1 ）： 84 - 108 . doi: 10.1021/acs.analchem.8b05235 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.8b05235

XU X D ， VALAVANIS D ， CIOCCI P ， et al . The new era of high-throughput nanoelectrochemistry ［J］. Analytical Chemistry ， 2023 ， 95 （ 1 ）： 319 - 356 . doi: 10.1021/acs.analchem.2c05105 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.2c05105

WANG Y F ， LI M Y ， REN H . Voltammetric mapping of hydrogen evolution reaction on Pt locally via scanning electrochemical cell microscopy ［J］. ACS Measurement Science Au ， 2022 ， 2 （ 4 ）： 304 - 308 . doi: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00012 http://dx.doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.2c00012

WAHAB O J ， KANG M ， UNWIN P R . Scanning electrochemical cell microscopy： A natural technique for single entity electrochemistry ［J］. Current Opinion in Electrochemistry ， 2020 ， 22 ： 120 - 128 . doi: 10.1016/j.coelec.2020.04.018 http://dx.doi.org/10.1016/j.coelec.2020.04.018

LIU Y L ， LU X X ， PENG Y ， et al . Electrochemical visualization of gas bubbles on superaerophobic electrodes using scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2021 ， 93 （ 36 ）： 12337 - 12345 . doi: 10.1021/acs.analchem.1c02099 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.1c02099

WAHAB O J ， DAVIDDI E ， XIN B ， et al . Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals ［J］. Nature ， 2023 ， 620 ： 782 - 786 . doi: 10.1038/s41586-023-06247-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06247-6

TETTEH E B ， BANKO L ， KRYSIAK O A ， et al . Zooming-in–Visualization of active site heterogeneity in high entropy alloy electrocatalysts using scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Electrochemical Science Advances ， 2022 ， 2 （ 3 ）： e2100105 . doi: 10.1002/elsa.202100105 http://dx.doi.org/10.1002/elsa.202100105

LAI Z G ， LI D S ， CAI S Y ， et al . Small-area techniques for micro- and nanoelectrochemical characterization： a review ［J］. Analytical Chemistry ， 2023 ， 95 （ 1 ）： 357 - 373 . doi: 10.1021/acs.analchem.2c04551 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04551

BENTLEY C L ， KANG M ， UNWIN P R . Nanoscale structure dynamics within electrocatalytic materials ［J］. Journal of the American Chemical Society ， 2017 ， 139 （ 46 ）： 16813 - 16821 . doi: 10.1021/jacs.7b09355 http://dx.doi.org/10.1021/jacs.7b09355

刘丹卿，张丙兴，赵国强，等 . 原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的应用进展（英文）［J］. Chinese Journal of Catalysis ， 2023 ， 44 （ 4 ）： 93 - 120 .

LIU D Q ， ZHANG B X ， ZHAO G Q ， et al . Advanced in-situ electrochemical scanning probe microscopies in electrocatalysis ［J］. Chinese Journal of Catalysis ， 2023 ， 44 （ 4 ）： 93 - 120 .

WANG Y F ， LI M Y ， GORDON E ， et al . Mapping the kinetics of hydrogen evolution reaction on Ag via pseudo-single-crystal scanning electrochemical cell microscopy ［J］. 催化学报（英文）， 2022 ， 43 （ 12 ）： 3170 - 3176 . （in Chinese）

王雨菲，李明阳， GordonEmma ，等 . 通过拟单晶扫描电化学池显微镜研究银上析氢反应动力学［J］. Chinese Journal of Catalysis ， 2022 ， 43 （ 12 ）： 3170 - 3176 .

JIN R ， ZHOU W T ， XU Y Y ， et al . Electrochemical visualization of membrane proteins in single cells at a nanoscale using scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2023 ， 95 （ 27 ）： 10172 - 10177 . doi: 10.1021/acs.analchem.3c00114 http://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.3c00114

ZHUANG J ， WANG Z W ， ZHENG Q Q ， et al . Scanning electrochemical cell microscopy stable imaging method with a backpressure at the back of its nanopipet ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2021 ， 21 （ 4 ）： 5240 - 5248 . doi: 10.1109/jsen.2020.3032425 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2020.3032425

庄健，高丙立，王志武，等 . 扫描电化学池显微镜阿基米德螺旋快速扫描方法的研究［J］. 仪器仪表学报， 2019 ， 40 （ 12 ）： 175 - 184 .

ZHUANG J ， GAO B L ， WANG Z W ， et al . Study on the Archimedes spiral rapid scanning method for scanning electrochemical cell microscope ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2019 ， 40 （ 12 ）： 175 - 184 . （in Chinese）

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