Nuovi sensori elettrochimici a base di
nanocompositi titanio-diamante
A.Lupu, D.Compagnone*, S.Orlanducci, M.L.Terranova, C.Cremisini**, G.Palleschi
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche , Università di Roma, Tor Vergata, via della Ricerca Scientifica, 00133, Roma
* Università di Teramo, via Spagna 1, 64023, Mosciano Stazione, Teramo
** Dipartimento Ambiente, ENEA, via Anguillarese 301, 00060, Roma
SINTESI
CARATTERIZZAZIONE
Deposizione chimica da fase vapore,
utilizzando un reattore CVD a filamento
caldo
Gas di trasporto: Ar
Polvere ultrafine: Ti acetilacetonato
Substrato: titanio
La realizzazione di sensori
elettrochimici mediante
film
conduttori a base di diamante
presenta dei vantaggi rispetto ai
sensori classici. Infatti, vengono
realizzati sensori che possiedono
sia la robustezza strutturale del
diamante e la sua inerzia chimica,
sia le proprietà elettrocataliche
tipiche di elettrodi a base di grafite.
Il metodo più comune per la
realizzazione dei film conduttori è
quello del drogaggio mediante
boro.
In questo lavoro viene
riportata la realizzazione di sensori
elettrochimici mediante deposizione
di film Ti-diamante.
Diffrazione elettronica ad alta energia in
riflessione – RHEED (Fig.1)
Spettroscopia Raman
Microscopia a scansione elettronicaSEM (Fig.2)
Composizione della miscela gassosa:
1%CH4 in H2
Durata del processo: 3h
La RHEED mostra pattern di diffrazione
attribuibili al reticolo cubico del diamante
(gruppo spaziale FD3m), il film risulta
policristallino senza nessuna orientazione
preferenziale e non presenta altre fasi
cristalline
Lo spettro Raman dei films presenta il
picco del diamante a 1332 cm-1 (l =
514nm)
Fig.2
Fig.1
I film di nanocomposito di diamante sono stati ottenuti su titanio (area di deposizione 0.64 cm2). La costruzione degli
elettrodi è stata effettuata mediante la saldatura del lato privo di deposito ad un filo di rame isolato ed il suo
inserimento in un corpo di Derlin. Il contatto tra il substrato ed il filo conduttore è stato assicurato per mezzo di una
colla conduttiva ad indurimento rapido. L’ancoraggio del disco al corpo dell’elettrodo e l’isolamento della superficie
metallica priva di film dalla soluzione sono stati realizzati grazie ad una colla epossidica.
Studi di voltammetria ciclica hanno evidenziato come i
nanocompositi
Ti-diamante
presentino
caratteristiche
elettrocatalitiche simili ad elettrodi classici. In fig. 3 sono mostrati
esperimenti condotti in KCl 0.1 M ad una velocità di scansione di
50 mV/s per concentrazioni 10-3 mol/L di acido ascorbico,
[Fe(CN)6]3-, idrochinone e NADH. I picchi di ossidazione e
riduzione si trovano a potenziali (vs. Ag/AgCl) paragonabili a
quelli ottenuti con carbone vetroso.
0.500x10 -4
Acido
ascorbico
idrochinone
0.250x10 -4
i/A
0
NADH
Fig.4
-0.250x10 -4
[Fe(CN)6]3-
-0.500x10 -4
-0.250
0
0.250
E/V
0.500
0.750
1.000
La retta di calibrazione per il [Fe(CN)6]3- ottenuta mediante
amperometria a potenziale costante (+0,180 V vs Ag/AgCl) è
mostrata in Fig. 4. Il limite di rivelabilità (calcolato come 2
volte s del rumore di fondo) è risultato essere di 1 x 10-7 mol/L.
Fig.3
CONCLUSIONI
Studi di stabilità hanno mostrato notevoli proprietà del nanocomposito. Gli
elettrodi realizzati sono in grado di lavorare in continuo (in voltammetria ciclica)
per circa 40 h prima di subire un decremento dell’attività catalitica. Nessuna
procedura di pulizia della superficie meccanica o elettrochimica è stata effettuata
durante questo periodo. La presenza in soluzione di composti in grado di provocare
“electrode fouling” con meccanismo EC su elettrodi di glassy carbon (p.es.NADH)
è risultata essere influente per l’attività del composito Ti-diamante.
L’inerzia chimica del nanocomposito è stata confermata effettuando esperimenti di
voltammetria ciclica dopo incubazione dell’elettrodo per 5 min in soluzione di
albumina serica bovina 1mg/mL. Anche in questo caso nessun effetto sui picchi
redox del [Fe(CN)6]3- è stato osservato mentre una diminuzione di corrente di picco
di circa il 12% è stata osservata per l’elettrodo di carbone vetroso.
 Le tecniche di caratterizzazione hanno
rivelato un film di diamante policristallino
di buona qualità.
 Gli
elettrodi realizzati mostrano
caratteristiche elettrocatalitiche simili ad
elettrodi di carbone vetroso.
 Viste le caratteristiche di stabilità ed
inerzia chimica della superficie elettrodica,
e considerando quelle di biocompatibilità
del Ti, i sensori chimici realizzati appaiono
buoni candidati per applicazioni analitiche
in matrici complesse quali fluidi biologici e
campioni alimentari