Template-assisted Electrodeposition and Model Electrodes Studied by Electron Microscopy and High Energy X-ray Diffraction

Abstract

There is a great interest in studying detailed changes at electrode surfaces during electrochemical processes to better understand the electrochemical reactions at the electrode surface-liquid interface and improve the electrode efficiency. The Au(110) surface has a known (1$\times$2) missing row reconstruction in vacuum conditions, which can change into higher-order (1$\times$3), (1$\times$5), and (1$\times$7) depending on environment. Although less studied than under vacuum conditions, surface studies have been performed during electrochemical reactions where similar reconstructions have been noted. In this thesis high energy surface x-ray diffraction measurements from a Au(110) surface in HClO$_4$ and H$_2$SO$_4$ have been performed at varying potentials both \textit{in situ} and \textit{ex situ}. The results confirm previously shown electrode potential-dependence of the reconstruction in HClO$_4$. A (1$\times$3) missing row reconstruction is present at negative potentials, which transitions into a (1$\times$2) reconstruction before the recondition is effectively lifted at higher positive potentials. The transitions are shown to still contain (1$\times$3) reconstruction up until a clear (1$\times$2) reconstruction is present, which can indicate
domains of (1$\times$3) and (1$\times$2) reconstruction coexisting. For Au(110) in H$_2$SO$_4$, there is a similar transition behavior from a (1$\times$3) reconstruction. The transition seems to occur at higher potentials than for HClO$_4$, but a clear (1$\times$2) reconstruction is never present.

A second project focused on the synthesis process of nanoporous templates and electrodeposition of Sn and Pt. A two-step anodization process was used to create porous alumina templates with well-ordered pores. Electrodeposition is a method by which the nanowires can be built atom by atom in the pores without limitations of sample size. The deposition and wire properties have been studied before. However, there is an interest in developing the deposition process and studying the efficiency to enable the fabrication of bi-metallic SnPt nanowires. Sn electrodeposition was performed with a Sine potential, a symmetrical pulse shape, and an asymmetrical pulse shape. While the pulsed deposition resulted in materials in the pores, the efficiency was low, and the pores were not filled even after long deposition times. The asymmetrical pulse shape enabled higher pore filling. The Pt deposition with the same methods was unsuccessful due to high solution acidity. Nonetheless, the new pulse shape opens up for further development of the deposition process.

Popular Abstract (Swedish)

Elektrokemi är ett område där kemiska reaktioner sker genom ett utbyte av elektroner. Vissa elektrokemiska reaktioner sker naturligt medan andra kan drivas genom att ström förs genom systemet. Ett elektrokemiskt system består av elektroder som är de ytor där elektroner lämnas eller hämtas. Elektroderna är sedan placerade i en gas eller vätska som för elektronerna mellan dem. Elektrokemiska reaktioner är av stor vikt i samhället då förmågan att driva och spara elektroner kan utnyttjas i utvecklingen av nya bränslesystem och hållbar energi-teknik. Detta projekt innehåller två delar: en där detaljer på en guldyta studeras när ytan förändras under elektrokemiska reaktioner och en där elektrokemi utnyttjas för att skapa nanotrådar.

Något som kan påverka reaktionerna är ytan av elektroderna. Eftersom det är på ytan vätskan eller gasen kommer i kontakt med elektroden och utbytet av elektroner sker, så kan dess struktur vara väldigt viktig. Guldkristaller är på atomnivå kubiskt formade med en extra atom på varje sida. En elektrod som används i industrin kommer ha många olika rotationer av denna kub på sin yta men i experiment undersöks ofta en rotation i taget. I en första del av projektet studeras en guld-ytas atomstruktur när den i olika vätskelösningar utsattes för olika potentialer.

I den kristallrotation som använts så är atomerna vanligtvis i rader, men om ytan utsätts för speciella förhållanden kan en så kallad saknad rad-rekonstruktion uppstå där en eller flera atom-rader saknas. Detta studerades med hjälp av ytröntegdiffraktion, en metod där en röntgenstråle får träffa en yta och ger upphov till ett mönster som motsvarar ytans struktur. Experimenten visade att guldytan under negativa potentialer har två borttagna rader men när potentialen sakta höjs går vi först över till att bara en rad saknas och sedan till den vanliga ytstrukturen. Detta är intressant då det visar att vi kan kontrollera ytans struktur genom att variera potentialen.

Elektrokemins förmåga att förändra ytor kan också utnyttjas för att skapa speciella ytor och användbara material. Genom elektrokemi i en syra kan en aluminiumyta få en oxid på ytan full av nano-stora porer. Om denna process upprepas två gånger kan porerna vara välorganiserade och snyggt formade. Dessa nano-stora porer kan likt små provrör fyllas med olika material. Om den porösa ytan sätts i ett bad fullt med joner av det önskade materialet och används som en elektrod i ett elektrokemiskt system så kan porerna fyllas, atom för atom, från botten av poren och upp. Detta skapar nano-breda metalltrådar, mer kända som nanotrådar, vilka kan utnyttjas i nano-stor elektronik. Att fylla porerna med olika metaller har även effekten att ytan ser ut att ha andra färger vilket redan idag utnyttjas för att färga aluminium. I detta projekt fylldes porösa aluminiumoxid-ytor med metallerna ten och platina. Processen för att göra ten-nanotrådar utvecklades men mer arbete krävs för att lyckas skapa platina-trådar. Om processen för att skapa de olika trådarna blir stabil så kan de kombineras för att skapa trådar som består av både platina och ten. Platina och ten är tillsammans ett användbart material som bland annat kan användas i processen för att tillverka bränsle.

I detta projekt har elektrokemins effekter på en guld-yta studerats på atomnivå. Att förstå dessa små förändringar kan hjälpa oss att utveckla effektivare elektrokemiska tekniker. Vi har även utnyttjat att elektrokemi kan förändra ytor för att skapa porösa aluminiumoxid-ytor som kan användas som en form för att skapa nanotrådar. Att utveckla metoder för att skapa avancerade material så som nanotrådar är viktigt för att kunna hänga med behovet av ny teknik.

• author: Sjö, Hanna
• supervisor: Edvin Lundgren; Giuseppe Abbondanza
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: FYSM60 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9095540
• date added to LUP: 2022-07-06 07:46:44
• date last changed: 2022-07-06 07:46:44