一种利用微型器件进行电化学测试方法技术

本发明专利技术涉及一种利用微型器件进行电化学测试方法，该方法包括如下步骤：1)在衬底上制备二维层状材料；2)在材料表面构建微纳器件；3)在衬底上构建微电解池与电极体系；4)将电极与外电路工作站电极一一相连，进行电化学测试。本方法通过选择性暴露活性面积，测量单个催化剂粒子活性的方法，避免常规电化学测试中催化剂粒子分布不均匀，活性位点难以区分的缺点；同时，独特的微纳装置有利于研究粒子的微区结构，方便在施加外场的同时对催化剂活性进行检测，也可以原位检测中间体的光谱信息，这种方法为深入研究催化剂活性位点，探究反应中间体提供了极大的便利。间体提供了极大的便利。间体提供了极大的便利。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微型器件进行电化学测试方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及催化剂检测领域，具体涉及一种利用微型器件进行电化学测试方法。
[0003]
技术介绍

[0004]目前，常规的电化学方法都是将一定量的催化剂粒子分散在玻碳、碳纸等基底上，对催化剂进行一个综合平均化的测量，往往限制了对单个催化剂如何进行表面反应的研究，难以归属反应活性提高的因素。不仅如此，常规电化学方法难以精确地对催化剂施加外场，多个催化剂粒子往往无法均匀地被施加外场，限制了对外场调控催化剂电子结构的研究。同时，较为大量的电解液，复杂的催化剂负载基底，也限制了一些检测手段，如拉曼、紫外对催化过程的实时检测。
[0005]
技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用微型器件进行电化学测试方法，通过构建微纳器件体系，研究单个粒子的催化活性，研究微区结构的活性电流，从而对催化剂催化过程机理进行进一步的明晰，更进一步的，通过微纳器件原位检测反应过程中的变化，包括催化剂本身结构的变化与反应过程中中间体的检测。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：本专利技术提供的以微纳器件构建三电极体系实现电化学测试的方法，包括如下步骤：1）在衬底上制备二维层状材料；2）在材料表面构建微纳器件；3）在衬底上构建微电解池与电极体系；4）将电极与外电路工作站电极一一相连，进行电化学测试。
[0008]上述步骤1）中二维层状材料可以具体为采用CVD方法合成的MoS2，WS2，异质结等材料。
[0009]上述步骤2）中，构建微纳器件需要利用激光直写光刻机与真空热蒸镀仪，具体方法如下：在光学显微镜下寻找合适的位置进行定位。在衬底上旋涂光刻胶，光刻胶采用正胶S1813，旋涂速率选择低速1000
‑
2000r/min，旋涂时间为10
‑
20s（例如15s），高速4000
‑
5000r/min，旋涂时间为50
‑
70s（例如60s）。旋涂后在热台上烘烤，烘烤温度设定为110
‑
120℃（例如115℃），时间为1.5
‑
2.5min（例如2min）。涂好胶的衬底，放入激光直写光刻机，定位至标记处中选取好的催化剂位置，在软件中绘制所需的微纳器件结构，进行曝光，曝光参数选择150mj/cm2功率、1um线宽和波长为385nm的激光。曝光后的衬底取出后放入显影液ZX
‑
238中显影60s，随后转移至水中进行定影15s以除去多余显影液，取出后用氮气枪吹干，得
到部分凹陷的光刻胶衬底。将衬底置入电阻蒸发镀膜仪，对光刻完的基底进行热蒸镀，一般蒸镀厚度为10nm/50nm或10nm/100nm的Ti/Au，其中Ti作为粘结层防止Au脱落。蒸镀结束后，泡在丙酮中10
‑
20min （例如15min），重复三次，洗去未曝光区域的光刻胶与其上金属，得到所需图案的金属作为微电极与连接位点。随后进行第二次光刻，选择催化剂粒子上特定区域如边缘、中心、异质结处，构建合适图案作为电化学反应窗口，同时也需要曝光上一步得到的连接位点。同样显影定影吹干后，在热台上加热120℃坚膜。如此，可以得到仅有反应窗口与电极连接点处露出，而其余部分被胶盖住的微纳器件。
[0010]上述步骤3）中，采用探针台，在所得微纳器件上构建三电极或四电极体系，具体方法如下：a、将衬底转移至探针台上，在显微镜观察下，用移液枪将溶液滴至反应窗口处作为电解液；在盐酸溶液中使用银丝进行恒电位电镀，得到银/氯化银准参比电极，并用标准氢电极在试液中校准电位，用可调节电极座将银丝插入液滴中；将碳棒削尖作为对电极，同样插入液滴；在光学显微镜观察下，利用电极座将金针压至2中得到的连接位点，作为工作电极；b、除了将两枚金针压至预先做好的电极座上外，其余步骤同a；上述步骤4）中，微纳器件上的电极通过电极座上的导线与工作站的电极对接；在工作站上对微纳器件构成的电极体系进行电化学测试，具体方法如下：a、三电极体系连接好外电路后，可以直接按照常规电化学方法进行测试，如进行线性伏安扫描，计时电流等测试，可以检测催化剂的催化活性；b、微电极与外电路相连后，可以对催化剂暴露窗口施加光照等，通过检测电流随光照波长、光照强度的变化，研究材料的光催化性能。除了光照，也可以研究磁场、电场、热场等对电催化活性的影响。另一方面，也可以原位检测电催化过程中，催化剂表面物质中间体的光学信号，如进行原位红外、原位拉曼等测试。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术方法通过选择性暴露活性面积，测量单个催化剂粒子活性的方法，避免常规电化学测试中催化剂粒子分布不均匀，活性位点难以区分的缺点；同时，独特的微纳装置有利于研究粒子的微区结构，方便在施加外场的同时对催化剂活性进行检测，也可以原位检测中间体的光谱信息，这种方法为深入研究催化剂活性位点，探究反应中间体提供了极大的便利。
[0012] 附图说明
[0013]图1为构建微纳器件的流程示意图；图2为利用CVD在衬底上合成的二硫化钼单层晶体；图3为构建微纳器件的实际应用图；图4为微纳器件检测MoS2不同位点HER催化活性图；图5为光作用下原位检测催化性能示意图；图6为实施例2两根金针同时压在预先蒸镀的两个连接位点示意图；图7为实施例3对催化剂表面施加光照示意图。
[0014]具体实施方式
[0015]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0016]下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。本专利技术提供的微纳器件的主要构建流程如图1所示。
[0017]实施例1对单层MoS2中心进行电催化产氢性能研究1）在Si/SiO2衬底（Si层厚度为500um，SiO2衬底层为280nm）表面采用CVD方式制备单层MoS2材料，其中图2是衬底表面单层MoS2的光学显微镜图像。
[0018]2）在合成的MoS2表面构建微纳器件。具体实施步骤为：在光学显微镜下寻找合适的位置进行定位。在衬底上旋涂光刻胶，光刻胶采用正胶S1813，旋涂速率选择低速1000r/min，旋涂时间为15s，高速4000r/min，旋涂时间为60s。旋涂后在热台上烘烤，烘烤温度设定为115℃，时间为2min。如此，所得到的光刻胶涂层厚度为1.3um。涂好胶的衬底，放入激光直写光刻机，定位至标记处中选取好的催化剂位置，在软件中绘制所需的微纳器件结构，具体为尖端压在MoS2上，尾端为正方形的电极连接位点。进行曝光，曝光参数选择150mj/cm2功率、1um线宽和波长为385nm的激光。曝光后的衬底取出后放入显影液ZX
‑
238中显影60s，随后转移至水中进行定影15s以除去多余显影液，取出后用氮气枪吹干，得到部分凹陷的光刻胶衬底，如图3（b）所示。将衬底置入电阻蒸发镀膜仪，在真空度达到10
‑5Pa时，对光刻完的基底进行热蒸镀，蒸镀上厚度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用微型器件进行电化学测试方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在衬底上制备二维层状材料；2)在二维层状材料表面构建微纳器件；3)在衬底上构建微电解池与电极体系；4)将电极与外电路工作站电极一一相连，进行电化学测试。2.根据权利要求1所述的一种利用微型器件进行电化学测试方法，其特征在于，步骤1)中所述衬底为Si和SiO2组成的复合衬底，所述二维层状材料为采用CVD方法合成的过渡金属硫属化合物。3.根据权利要求1所述的一种利用微型器件进行电化学测试方法，其特征在于，步骤2)中所述构建微纳器件主要采用的设备为激光直写光刻机与真空热蒸镀仪，方法为光刻与蒸镀。4.根据权利要求3所述的一种利用微型器件进行电化学测试方法，其特征在于，光刻的方法中光刻胶采用正胶S1813，旋涂速率选择低速1000
‑
2000r/min，旋涂时间为10
‑
20s，高速4000
‑
5000r/min，旋涂时间为50
‑
70s；旋涂后在热台上烘烤，烘烤温度设定为110
‑
120℃，时间为1.5
‑
2.5min；光刻胶涂层厚度为1
‑
1.5um。5.根据权利要求3所述的一种利用微型器件进行电化学测试方法，其特征在于，采用激光直写光刻机，在软件中绘制所需的微纳器件结构，进行曝光时，曝光参数选择150mj/cm2功率、1um线宽和波长为385nm的激光，曝光后的衬底取出后在显影液ZX

【专利技术属性】
技术研发人员：张黎明，童昊楠，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：