原标题：Quasi-reference electrodes in confined electrochemical cells can result in in situ production of metallic nanoparticles
摘要
纳米级工作电极和小型电分析设备是探测分子现象和进行化学分析的宝贵平台。然而，集成到小体积电解质中的金属电极固有的近距离会使经典的电分析技术复杂化。在这项研究中，我们使用扫描纳米移液器接触探针作为模型微型电化学电池，以证明在准参考电极上发生的反应的可测量副作用。我们提供了在没有任何电活性物质的情况下原位生成纳米颗粒的证据，并批判性地分析了这些纳米颗粒出现在工作电极上的起源、成核、溶解和动态行为。为了准确解释纳米级电化学实验的结果，认识到在受限电化学电池中使用准参比电极的意义至关重要。
介绍
对纳米级化学系统的新见解与可以探测越来越小体积的实验技术齐头并进，但传统的理化模型不一定适用于具有纳米级尺寸的系统。这一事实，再加上制备纳米级电极和纳米受限电化学器件的新制造方法的可用性，激发了被称为“纳米电化学”的新研究分支。
物理尺寸减小会产生重要的好处，例如降低背景噪声、减少 iR 下降和快速传质速率，这些特征可用于研究接近单分子尺寸的长度尺度上的现象。除了纳米粒子电催化的基础研究，单纳米颗粒检测、单分子传感和电化学成像，小型化电化学系统已在能量转换和存储中找到应用。
然而，纳米级电化学测量所需的极高灵敏度也可能为新的复杂情况打开大门。必须仔细管理许多实验危害，以获得有意义的数据集，这些数据集足够大，具有足够的统计能力。这些挑战包括衬底清洁度、背景噪声、样品纯度和纳米电极结垢等挑战。了解这些并发症背后的机制非常重要，以便更好地避免它们。
在理想的三电极电化学池中，使用玻璃熔块或盐桥将参比电极与本体溶液隔离，而对电极位于远离工作电极的位置。然而，由于尺寸、成本和复杂性的原因，小型化分析设备通常没有这种奢侈。相反，许多系统使用非隔离的“准参比”电极，例如简单的 Ag/AgCl 线。在某些情况下，甚至通常会取消第三个电极，而使用更简单的 2 电极电池，该电池使用单个“准参比对电极”（QRCE） 来平衡工作电极。如果测得的电流非常小，并且 QRCE 的表面积与 WE 相比相对较大，则可以证明这种安排是合理的。
然而，随着 WE 和 QRCE 之间距离的减小或实验持续时间的增加，在 QRCE 上产生的氧化还原物质向工作电极的扩散可能不容忽视。例如，最近的一篇文章报道了当使用非孤立的 Ag/AgCl 参比电极时，在芯片实验室微电极阵列中观察到伪影。了解这些人工制品的起源以及引导它们的物理过程将是有价值的。
在本研究中，我们使用扫描纳米移液器接触表明微型电化学电池中的 QRCE 即使在没有任何前驱体的情况下也可以导致原位纳米颗粒的产生。我们探讨了导致这种现象的关键实验因素。这是一个不容忽视的关键实际观察结果，因为它将最终确定纳米电化学实验中可实现的检测限。
结果与讨论
所有实验均使用扫描纳米移液器接触装置进行（图 1）。简而言之，用激光辅助移液器拉取器制造直径为 ~40 nm 的石英毛细管。移液器充满电解质，并由工作电极正上方的纳米定位台固定。将 QRCE 插入移液器中，并在 QRCE 和工作电极之间施加偏置电压 （-0.2 V）。移液器以 100 nm 的增量下降，直到其尖端与工作电极形成液体弯月面接触。该弯月面是通过在接触过程中观察到的特征电流尖峰来检测的，这是由于界面处的双电层充电造成的。一旦建立弯液面，移液器运动就会停止。所有电位均报告为特定实验中使用的 V 与 QRCE。
图1：实验的示意图（不按比例）。玻璃毛细管被仔细定位，使其尖端形成带有工作电极的纳米级液体弯液面。
首先，我们利用循环伏安法评估通常用于扫描移液器测量的 Ag/AgCl QRCE 电极的干扰。电化学电池中不存在电活性物质，我们选择了 0.1 M LiCl 作为 Ag/AgCl QRCE 常用的氯电解质的代表（通过维持反应获得稳定的电位：AgCl_{(s)}+e^-\Leftrightarrow Ag_{(s)}+Cl^-_{(aq)})。使用玻碳 （GC） 电极作为工作电极。一旦建立弯月面接触，就以 0.1 V/s 的速率连续进行 Ag/AgCl QRCE 循环伏安图，持续 130 分钟，如图 1 所示。2. 最初，i-V 曲线没有显示任何明显的氧化或还原电流。然而，在连续测量 40 分钟后（图 D）。2b） 观察到氧化还原活性的迹象。这种氧化还原行为在 110 分钟后逐渐显著，氧化峰接近 −0.05 V，交越点接近 ~0.2 V。这些循环伏安图的形状让人想起金属沉积和剥离41，以及体氧化电位后上方的尖锐电流瞬变表明存在离散的可氧化纳米颗粒。这些瞬态将在后面的部分中更详细地探讨。
我们分析了伏安法扫描过程中转移的总氧化电荷，随着时间的推移，它呈现出 S 形曲线（图 3）. 在这里，我们进行了 160 分钟的实验，类似于图2，在大约 40 分钟后才可见电化学氧化。每次扫描中计算的氧化电荷随着时间的推移稳步增加，直到 130 分钟后稳定在 ~60 pC （~0.6 femto mols）。我们假设这种渐近曲线是由于工作电极附近的金属离子耗尽导致成核速率降低，导致从溶解离子形成纳米颗粒的扩散受限条件。
剥离行为取决于 QRCE
为了测试工作电极上的这种剥离行为如何随其他 QRCE 而变化，我们使用了另一种常用的 Cu/CuCl2在相似实验条件下使用相同的实验装置的 QRCE。将观察到的结果与图 4 中的 Ag/AgCl 进行比较。如图4（a） 中，QRCE 在接触后均未立即显示可见的氧化或还原。然而，随着时间的推移，Cu/CuCl2 也观察到了类似的沉积剥离行为2QRCE，如图4（c）所示。
提出的原位生成纳米颗粒的机制
值得再次强调的是，这些实验中使用的电解质不含任何电活性物质或添加的金属离子。氧化还原活性也不是由溶解的气体引起的，而是金属离子溶解和沉积的特征。因此，我们假设银离子和铜离子从 QRCE 中释放出来，并且是观察到的氧化还原活性的原因。QRCE 的可逆反应如下，
在负施加电位时，工作电极上的还原电流被 QRCE 的氧化反应平衡。与 QRCE 相比，在足够的还原电位下，氧化的 Ag/Cu 形成是有利的。所得 Ag 离子的命运可能因实验条件而异。例如，在氯离子存在下，Ag 可以与多个氯离子络合。根据对 QRCE 的吸附强度和形成的复合物的溶解度，这些氧化金属离子可以扩散到本体电解质溶剂中，如图5所示。这些过程导致参比电极不稳定，并最终导致其电位漂移。在更大规模的实验中，少量的 QRCE 不稳定性可能是可以容忍的。然而，在小型化实验池中，在 QRCE 上产生的金属离子最终可能会到达工作电极并还原成金属 NP。我们演示中的电解液体积为~30 μL，对于基于毛细管探针的类似电化学设置，电解液体积可在~30–160 μL 之间变化。对于玻璃毛细管系统，QRCE 和工作电极之间的距离通常在 1-5 cm 之间，尽管对于某些微流体设备或丝网印刷电极，这个距离可能要小得多。工作电极上消耗金属离子会产生化学梯度，进一步将离子吸引到电极上，从而在电压循环期间在工作电极上沉积越来越多的离子。我们观察到工作电极处的 NP 生成比简单扩散传输的预期要早，并且有理由预期金属离子的质量传输可能会通过锥形纳米移液器几何形状内的非线性扩散而增强、密度梯度的自然对流，以及窄毛细管几何形状鼓励的电渗流。
图 2：拟议的原位颗粒生成和氧化机制的示意图。（a） GC 电极上的还原电位触发氧化的 Ag （AgClx其中x可以是 1-4）在 Ag/AgCl QRCE 处形成。氧化的 Ag 扩散到 GC 电极，在那里它被还原形成 Ag 纳米颗粒 （Ag NPs）。（b）在氧化电位下，Ag NPs 被氧化。
在体氧化峰后观察到的多个尖锐瞬变可以归因于氧化还原循环过程中原位生成的纳米颗粒的氧化。观测到的强度和这些瞬变的持续时间可以根据以下一项或多项来解释：（i）一些金属颗粒在还原过程中可能会从催化表面分离并形成胶体溶液。当达到氧化起始电位时，任何吸附的颗粒都会发生整体氧化，而分离的颗粒可能需要时间才能扩散回表面，使其在扫描中稍后出现。（ii） 在氧化过程中从表面分离的颗粒在逐渐氧化时可能会发生多次表面碰撞。（iii）不同形状的金属颗粒可能在高于本体氧化电位的不同阈值下被氧化。其他地方已经报道，氧化电位取决于纳米颗粒的大小。
原位生成的纳米颗粒的视觉证据和身份
为了进一步证明纳米颗粒的原位生成，我们使用 TEM 对溶液和电极表面的内容物进行成像。在记录周期性 CV约130 分钟后，我们将尖端的电解质内容物 （1-2 μL） 分配到镍基 TEM 网格上进行成像。高分辨率 TEM 图像如图6所示。这些图像显示了不同大小的纳米颗粒的分布。Ag/AgCl QRCE 和 Cu/CuCl2均获得相似的结果QRCE 的。此外，颗粒的电子色散 X 射线光谱 （EDXS） 分析显示，每种溶液中的 NP 组成分别为银或铜。这种视觉证据与我们关于原位生成的 NP 的假设是一致的。
原位生成的纳米颗粒的沉积和溶解行为
为了进一步研究原位生成的纳米颗粒的氧化和还原行为，在初次接触后 80-100 分钟进行了计时安培实验，如图7所示（初始计时安培迹线未显示任何明显的氧化或还原电流，如图 7 所示）。使用GC 电极配合Ag/AgCl 和 Cu/CuCl2 的QRCE，每 5 秒在 +0.4 V 和 −0.3 V 之间切换电位电极。当电位切换到 −0.3 V 时，由于电容充电，会出现一个特征尖峰。在短暂的延迟 （~1 s） 后，我们观察到一个较浅的峰值，这对应于 Ag 还原成金属银。当电位切换到 +0.4 V 时，观察到较大的氧化电流。这里，瞬态氧化峰为 ~4 nA，比负开关瞬变 （-0.8 nA） 大 5 倍，这表明初始氧化峰是由于充电电流和 Ag 的体氧化造成的。Ag 的体氧化发生得很快，并且太快而无法与电容瞬变分离。由于银颗粒吸附在 GC 表面上，而银离子最初所需的质量传递，这种氧化比早期还原发生得更快。在初始峰值之后，在背景电流稳定到一个恒定值之前，观察到进一步的氧化尖峰，如图7（c）所示。这些电流瞬变表明，随着 NP 逐渐氧化，氧化可能涉及与电极表面的多次离散碰撞。（使用银纳米颗粒溶液观察到类似的行为).
图 7（d-f） 显示了 Cu/CuCl2记录的 i-t 迹线QRCE，其质量上与 Ag/AgCl QRCE 相似。然而，在类似的条件下，我们观察到铜的瞬态氧化事件比银多得多。此外，在浅还原峰之前观察到第二个急剧的负电流瞬变，而 Ag/AgCl QRCE 则不存在。在 Cu 颗粒中观察到的氧化峰强度较高，这可归因于 QRCE 在氯化物介质中的剥离速率较高。我们将第二个还原峰归因于氯化铜络合物的沉积。与复合物相关的较高负电荷将从带负电荷的电极表面排斥，这种受阻的扩散会导致 i-t 迹线中还原峰的延迟。
虽然我们已经提供了纳米颗粒生成的明确证据，但可以合理地询问这些 NP 是否是由物理力而不是电化学效应引起的。为了验证氯化 QRCE 表面的物理不稳定性不是主要污染源，我们使用裸露的非氯化Ag和Cu线作为 QRCE 插入进行了一组类似的实验。使用细砂纸对两根线材进行抛光，以去除表面形成的任何氧化物，并在使用前用去离子水彻底冲洗。观察到的沉积和溶解行为（图S4）类似于 Ag/AgCl 和 Cu/CuCl2，表示 Ag+和 Cu2+来源不是来自机械去除 AgCl 和 CuCl2层。
成核和库仑效率
为了更好地理解金属纳米颗粒的意外沉积将如何演变，研究它们的成核机制将是有用的。使用 GC 工作电极的瞬态计时安培还原曲线（图 7） 中，我们试图通过应用 Scharifker-Hills （S-H） 模型来了解 Ag 和 Cu 纳米颗粒的成核。电沉积电流的上升和下降通常归因于从球形扩散到较慢平面扩散的转变，因为来自多个生长颗粒的扩散半径最终会重叠。S-H 模型描述了两个重要情况，对应于瞬时和渐进成核。瞬时成核是指成核迅速发生并且大量生长颗粒占据许多活性位点的情况。第二种情况是渐进性成核，其中成核位点的数量随着时间的推移而增加。计时安培曲线由它们在减少尖峰的峰值处的值进行归一化，im和 tm.
Ag 和 Cu 沉积的实验和理论曲线如图8所示。补充信息中给出了描述瞬时和渐进模型的两个方程。很明显，成核是渐进的，因为测得的电流衰减速度比瞬时模型快得多。事实上，它甚至比经典的渐进模型还要快。类似的观察结果在其他地方也有报道，它们被归因于竞争反应和成核位点的不均匀分布。在我们的数据集中，我们假设偏差是由于出现的速率控制过程，涉及吸附原子在晶格处掺入和释放和聚合增长。对成核动力学的更深入研究留给未来的研究。
在分析沉积过程时，我们还使用了 i-t 曲线（图 D7） 研究颗粒氧化和沉积的库仑效率 （CE）。根据 100 s 期间的曲线下面积计算沉积和氧化的总电荷，发现整体效率非常接近 100%。CE 甚至在某些单独的循环中超过全效率，表明电极表面附近存在其他纳米颗粒（图 5）。
工作电极和电解质的影响
我们使用多晶 Pt 重复了图 4 所示的实验，来研究 QRCE 对不同电极表面的影响。像往常一样，CV 最初没有显示氧化还原活性，随着时间的推移，观察到两个 QRCE 的特征剥离行为（图S6）。一个显著的区别是本体氧化后没有尖峰/电流瞬变。没有电流瞬变表明，与 GC 相比，颗粒对 Pt 表面的吸附更强，并且由于与 Pt 上吸附物质相关的电荷转移动力学更快，颗粒完全氧化（无部分氧化）。同样，使用 Pt 的色安培结果在氧化电位处没有显示任何明显的电流瞬变，我们在还原电位处也没有观察到较浅的峰（图S7）。相反，更快的动力学导致氧化电流和还原电流被合并到更大的电压开关瞬态峰值中。此外，弯月面溶液的 TEM 成像未发现任何颗粒。这些结果表明，纳米颗粒的氧化和还原动力学在 Pt 工作电极上非常快，并且在测量过程中没有分离的颗粒。
到目前为止，我们所有的实验都使用了氯电解质。为了探索电解质阴离子的影响，我们测试了 HPO4−（磷酸盐）和 SO42−（硫酸盐）溶液。两者都显示出纳米颗粒的原位生成和与氯电解质定性相似的沉积-溶解行为。酸性和碱性 pH 值的氯化物缓冲液也产生了类似的结果。根据我们的实验，观察到的干扰的关键因素是体积小、电极距离很近以及测量所需的时间。调整电极距离、电解液体积和测量时间可以减少这些影响，但这可能与设备小型化和最大化其灵敏度的竞争目标相冲突。
结论
在这项研究中，我们描述了由于 QRCE 的氧化还原副产物干扰工作电极，在受限电化学池中原位生成金属纳米颗粒。使用两种常用的 QRCE（Ag/AgCl 和 Cu/CuCl2），我们证明了金属纳米颗粒产生的明确证据。此外，我们表明金属离子的来源不是由于物理去除松散电镀的表面层，而是由于 QRCE 的氧化还原反应，这表明这种行为无法通过改变电极制备来避免。循环伏安法和计时安培法都提供了与在 WE处形成的纳米颗粒的沉积-溶解行为和成核相关的有用信息。电子显微镜提供了原位生成颗粒的视觉证据，并证实了它们的金属成分。这项工作强调了电化学电池仔细几何设计的重要性，并再次加强了设计小型电化学系统的一些挑战。认识到即使没有添加前驱体也可以生成金属纳米颗粒，这一点至关重要，因为这些颗粒会扭曲事件统计数据并干扰纳米电化学实验，尤其是在日益流行的纳米冲击电化学方法中。这些结论同样适用于纳米间隙氧化还原循环平台、隧道结和电化学芯片实验室器件的设计，其中 QRCE 产生的金属离子可能会导致杂散信号或短路。其他新出现的 QRCE 突变，如 Pd/H2，可能会避免金属离子生成的此类并发症60而且，如果它们的潜力被证明足够稳定，它们可能有利于未来的微尺度电化学平台。
来源：Perera, R.T., Rosenstein, J.K. Quasi-reference electrodes in confined electrochemical cells can result in in situ production of metallic nanoparticles. Sci Rep 8, 1965 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-20412-2