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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-38981

Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Oberflächenmorphologie und Elektrochemie bei polykristallinen Goldelektroden

  • Polykristallines Gold wurde bereits seit dem Ende des 19. Jahrhunderts elektrochemisch charakterisiert und seit Anfang des 20. Jahrhunderts regelmäßig als Arbeitselektrode in der elektrochemischen Analytik genutzt. Fälschlicherweise und trotz erster gegenteiliger Indizien, dominierte die Annahme, dass mechanisches Polieren die einzelnen Einkristallflächen des polykristallinen Materials freilegen würde, und dass deren statistisch gewichtetes elektrochemisches Verhalten reproduzierbar abgebildet werden könne. Mit dem Aufkommen neuer und verbesserter Verfahren zur Erzeugung hochwertiger Einkristallflächen parallel zur Entwicklung und Verbreitung leistungsstarker Techniken zur Oberflächenanalyse, konzentrierte sich die Goldforschung ab der Mitte des 20. Jahrhunderts auf die Charakterisierung der Einkristallflächen, ohne jedoch die neugewonnenen Erkenntnisse für die Interpretation des polykristallinen Materials zu nutzen. Gegenstand dieser Arbeit war daher die Kombination elektrochemischer Methoden (lineare und zyklische Voltammetrie) mit modernen Oberflächenanalysetechniken (Röntgendiffraktion, elektrochemische Unterpotentialabscheidung von Blei-Ionen) und bildgebenden Verfahren (AFM, STM, REM) zur Charakterisierung verschieden vorbehandelter polykristalliner Goldelektroden. Zudem sollte das elektrochemische Verhalten dieser Elektroden basierend auf dem bisherigen Wissen über das Verhalten der Einkristallflächen interpretiert werden. Der Großteil der erzielten Ergebnisse wurden in den drei Publikationen veröffentlicht, die den Hauptteil dieser Dissertation bilden. Zunächst konnte eine temporäre Aktivierung mittels mechanischer oder elektrochemischer Bearbeitung sowie eine Inaktivierung durch chemisches Ätzen in sauerstoffgesättigter Kaliumcyanidlösung, bezüglich der Sauerstoffreduktion als Referenzreaktion nachgewiesen werden, wobei Aktivierung und Inaktivierung relativ sind und im Zusammenhang mit der Anzahl sogenannter aktiver Zentren auf der Elektrodenoberfläche stehen (Publikation 1). Darüber hinaus erwiesen sich kontinuierliche Oxidations- und Reduktionszyklen an polierten polykristallinen Goldelektroden in schwefelsaurer Lösung als eine neue, Zusatzstoff freie Methode für die Goldnanopartikelsynthese, da diese wohldefinierte und immobilisierte Goldkristallite auf den Elektrodenoberflächen erzeugt (Publikation 2). Die sequenzielle Kombination aus Argon-Ionenstrahlätzen und thermischem Ausheizen hat sich hingegen als effiziente Methode zur Erzeugung sauberer und glatter Elektrodenoberflächen mit hoher atomarer Ordnung erwiesen (Publikation 3). Zugleich konnte gezeigt werden, dass polykristallines Gold ein eigenständiges Material ist, dessen Eigenschaften und Verhaltensweisen nicht ausschließlich auf das statistisch gewichtete elektrochemische Verhalten der einzelnen Einkristallflächen zurückzuführen sind, sondern auch von anderen energetischen Aspekten, wie beispielsweise der Koordination der Oberflächenatome im Kristallgitter, bedingt werden (Publikation 2 und 3).
  • Polycrystalline gold has been electrochemically characterized since the end of the 19th century and has been regularly used as a working electrode in electrochemical analysis since the beginning of the 20th century. Erroneously, it was often believed that mechanical grinding and polishing would reveal the individual single crystal planes of the polycrystalline material and that their statistically weighted electrochemical behaviour could be reproducibly mapped. With occurence of new and improved methods for producing high-quality monocrystalline surfaces in parallel with development and distribution of powerful techniques for surface analysis, gold research from the mid-20th century onwards concentrated on the characterisation of the single crystal surfaces, but without using the newly gained knowledge for the interpretation of the polycrystalline material. Therefore, the subject of this work was to combine electrochemical methods (linear and cyclic voltammetry) with modern surface analysis (X-ray diffraction, electrochemical underpotential deposition of lead ions) and imaging techniques (AFM, STM, SEM) to characterize differently pretreated polycrystalline gold electrodes. Moreover, the electrochemical behaviour of these electrodes should be interpreted based on to date knowledge of the behaviour of the single crystal planes. Most of the results obtained were published in those three publications that form the main part of this dissertation. At first, a temporary activation by mechanical or electrochemical processing as well as an inactivation by chemical etching in oxygen-saturated potassium cyanide solution could be demonstrated with respect to oxygen reduction as a reference reaction, whereby activation and inactivation are relative terms and related to the number of so-called active sites on the electrode surface (paper 1). In the further course, continuous oxidation and reduction cycles on polished polycrystalline gold electrodes in sulphuric acid solution proved as a new additive-free methode for gold nanoparticle synthesis, as this generates well-defined immobilised gold crystallites on the electrode surfaces (paper 2). In contrast, sequential combination of argon ion beam etching and thermal annealing has proven to be an efficient method for producing clean and smooth electrode surfaces with high atomic order (paper 3). Concurrently, it could be shown that polycrystalline gold is an independent material whose properties and behavior are not exclusively caused by the statistically weighted electrochemical behavior of the individual monocrystalline faces, but are determined by other energetic aspects as well, such as the coordination of the surface atoms in the crystal lattice (paper 2 and 3).

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Metadaten
Author: Paula Ahrens
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-38981
Title Additional (English):Investigation of the relationship between surface morphology and electrochemistry of polycrystalline gold electrodes
Referee:Prof. Dr. Fritz Scholz, Prof. Dr. Gunther Wittstock
Advisor:Prof. Dr. Fritz Scholz, PD Dr. Harm Wulff, Dr. Hasse Ulrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2020/08/17
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/05/07
Release Date:2020/08/17
Tag:Pb-UPD
GND Keyword:Cyclovoltammetrie, Elektrochemie, Gold, Kristallfläche, Polykristall, Rasterelektronenmikroskop
Pagenumber:70
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie