3D プリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対する機器パラメータの影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 339 (2023) この記事を引用

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8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

3D プリンティングは、カーボン熱可塑性複合電気化学センサーの製造に信頼性の高いアプローチを提供します。多くの研究でカーボン熱可塑性プラスチック電極の電気化学的活性に対する印刷パラメーターの影響が調査されていますが、3D 印刷された熱可塑性プラスチックの構造と機械的強度を変えることが示されている機器パラメーターの影響については限られたことがわかっています。私たちは、押出機温度、ノズル直径、加熱床温度がカーボンブラック/ポリ乳酸 (CB/PLA) 電極の電気化学的活性に及ぼす影響を調査しました。サイクリックボルタンメトリーおよび電気化学インピーダンス分光測定は、標準的な酸化還元プローブを使用して実施されました。走査型電子顕微鏡を使用して、電極表面と電極の断面を視覚化しました。 230 °C と 240 °C の押出機温度を使用すると、表面粗さが増加し、印刷層間の空隙の数が減少するため、CB/PLA 電極の電気化学的活性が向上することがわかりました。さまざまな 3D プリンターのノズル直径、加熱ベッド温度は、CB/PLA 電極の電気化学的活性に影響を与えませんでした。ただし、ハイエンドプリンタでは電極のバッチ再現性が向上しています。これらの発見は、3D プリンティングを使用してカーボン熱可塑性複合電気化学センサーを製造する際に考慮する必要がある重要な機器パラメーターを強調しています。

製造アプローチとしての 3D プリンティングにより、さまざまな複雑な形状で電気化学センサーを大量生産できるようになりました 1、2、3、4、5、6、7、8。 3D プリント電極の製造に使用される材料には、ポリ乳酸 (PLA) などの非導電性熱可塑性プラスチックと混合された導電性材料 (さまざまな形態のカーボンなど) が一定の割合で含まれています。したがって、すべての 3D プリント電極は複合電極であり、電極の一部は導電性です9,10。歴史的に、カーボン複合電極は、多くの場合手作業で均一な電極を製造することが難しいため、バッチばらつきが大きくなっています 5、11、12、13、14。ただし、3D プリンティングを使用した電極の機械製造では、電極のバッチ間の精度が向上するため、炭素複合電極の再現可能な製造に適したアプローチとなります 11。

印刷プロセスは印刷部品の構造に影響を与える可能性があるため、炭素熱可塑性複合電極の電気化学的活性が変化する可能性があります。 3D プリント電極の製造は、プリントパラメータや機器パラメータの影響を受ける可能性があります。印刷パラメータは印刷時の電極の構造に影響を与え、機器パラメータはカーボン熱可塑性フィラメントの押出に影響を与える変数です。多くの研究は、印刷パラメータの影響を調査することに焦点を当てており、印刷の向き、印刷速度、層の厚さが炭素導電性電極の電気化学的活性を変化させることが示されています11、15、16、17、18。 3D プリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対する機器パラメーターの影響を調査した研究はありません。ただし、機器パラメーターの影響を調査する研究は、主に PLA19、20、21、22、23、24、25 などの熱可塑性プラスチックを対象に実施されており、ノズル直径、加熱ベッド、および押出機の温度を変更すると違いが観察されました。さまざまな研究では、線形相関はありませんが、より大きなノズル直径を使用して部品を印刷すると、印刷部品の引張強度が向上することが示されています 26、27、28。これは、ノズル直径の増加に伴い層の幅がわずかに増加する可能性があるためであると考えられます。研究では、加熱床の温度が上昇すると、PLA 印刷部品の引張強度が増加することも示されています。加熱床の温度が上昇すると、ある層から別の層への熱放散が増加し、すでに結合されている層が後加熱されます。この層の後加熱により、ある層から隣接する層への拡散が大きくなり、強度が向上します。この強化された接着力は、印刷材料のガラス転移温度 (Tg) よりわずかに高いベッド温度でパーツを印刷すると大幅に増加しました 28、29、30。さまざまな研究により、より高い押出機温度を使用すると、炭素繊維 PLA および PLA の引張機械的特性が向上することが示されています。これは、印刷層間に存在する空隙の総数が減少し、層間の層間結合が強化されたことに起因すると考えられます20、25、28、31、32、33。

PLA について行われた研究では、装置パラメータの変化による電極の構造の大きな違いが浮き彫りになり、それが印刷部品の機械的特性に影響を及ぼしますが、これらの構造変化が印刷部品の電気化学的活性に影響を与えるかどうかは不明です。私たちの研究では、カーボンブラック/ポリ乳酸 (CB/PLA) 電極の電気化学的活性に対する機器パラメータの影響を調査しました。さまざまな押出機温度、加熱床温度、さまざまなノズル直径で CB/PLA 電極を作成しました。これらの電極は、サイクリックボルタンメトリーと電気化学インピーダンス分光法を使用して調査されました。印刷された電極の表面積と断面は、走査型電子顕微鏡を使用して特性評価されました。最後に、センシング用途向けの CB/PLA 電極の製造を最適化する方法における調査結果の意味を強調しました。

多くの研究では、CB/PLA 電極を作成するために異なる直径のノズルが使用されています 1,6,34,35,36 が、これが電気化学的活性に影響を与えるかどうかは不明です。 230 °C の押出機温度と 50 °C の加熱床温度を使用して、ノズル直径が CB/PLA 電極の電気化学的活性をどのように変化させるかを調査しました。図 1A は、外圏酸化還元プローブルテニウムヘキサアミンのサイクリックボルタモグラムを示しています。応答の違いは観察されませんでした。 0.3 mm から 0.6 mm までのノズル直径を比較すると、陰極ピーク電流 (n = 7、図 1B) と ΔE (n = 7、図 1C) に有意な差はありませんでした。図 1D は、内球酸化還元プローブであるフェリシアン化物のサイクリックボルタモグラムを示していますが、応答の違いも観察されませんでした。 0.3 ～ 0.6 mm のノズル直径を比較した場合、陽極ピーク電流 (n = 7、図 1E) と ΔE (n = 7、図 1F) に有意な差はありませんでした。

外球と内球のレドックスプローブ上の異なるノズル直径での 3D プリントされた CB/PLA 電極の応答。 (A) 0.05 V s-1 における 1 M KCl 中の 1 mM ルテニウムヘキサミンの代表的なサイクリックボルタモグラム、(B) カソードピーク電流、(C) ルテニウムヘキサアミンの ΔE (D) 1 M KCl 中の 5 mM フェリシアン化物の代表的なサイクリックボルタモグラム0.05 V s−1 における (E) 陽極ピーク電流と (F) フェリシアン化物の ΔE。すべての電極は、押出機温度 230 °C、加熱床温度 50 °C で印刷されました。データは平均値 ± SD、n = 7 として表示されます。

表 1 は、PLA または CB/PLA を使用して電極の同じ形状をもつ印刷部品を作成した場合の成功率を示しています。 PLA を使用して作成された部品の場合、すべてのノズル直径にわたって 100% の成功率がありました。ただし、CB/PLA では、ノズル直径が大きくなるにつれて成功率が大幅に低下しました。したがって、最大のノズル直径 (0.6 mm) が、PLA と CB/PLA の両方で最も高い成功率を示しました。この差異効果は、CB/PLA フィラメント内の CB 粒子の影響によるものである可能性が高く、ノズル直径が小さいと詰まりやすくなります。研究によると、ノズルの直径が大きいほど、印刷中のフィラメントの詰まりや磨耗が長期間にわたって起こりにくく、使用寿命が長くなることがわかっています 37,38。

これらの発見は、異なるノズル直径を使用して同じ層厚で電極を印刷する場合、電極の電気化学的活性に変化はないが、より大きなノズル直径を使用すると電極製造の成功率が向上することを強調しています。各ノズル直径には上限と下限の許容差があるため、電極の作成に使用できる印刷層の厚さが異なる場合には当てはまらない場合があります。

発表された研究では、50 °C および 70 °C の加熱床温度が使用されています1,11,35,39。 70 °C という温度はガラス転移温度よりも高いですが、印刷材料のガラス転移温度よりわずかに高いベッド温度を使用すると層間の接着が増加することが研究で示されているため、この温度が選択されました 29,30。図 2A は、ルテニウムヘキサアミンのサイクリックボルタモグラムを示しています。応答の違いは観察されませんでした。加熱床温度を比較すると、陰極ピーク電流 (n = 7、図 2B) と ΔE (n = 7、図 2C) に有意な差はありませんでした。図 2D は、フェリシアン化物のサイクリックボルタモグラムを示しています。応答の違いは観察されませんでした。加熱床の温度を比較すると、陽極ピーク電流 (n = 7、図 2E) と ΔE (n = 7、図 2F) に有意な差はありませんでした。

外球および内球レドックスプローブ上のさまざまな加熱床温度における 3D プリントされた CB/PLA 電極の応答。 (A) 0.05 V s-1 における 1 M KCl 中の 1 mM ルテニウムヘキサアミンの代表的なサイクリックボルタモグラム、(B) カソードピーク電流、(C) ルテニウムヘキサアミンの ΔE (D) 1 M KCl 中の 5 mM フェリシアン化物の代表的なサイクリックボルタモグラム0.05 V s−1 における (E) 陽極ピーク電流と (F) フェリシアン化物の ΔE。押出機温度は２３０℃、ノズル直径は０．６ｍｍであった。データは平均値 ± SD、n = 7 として表示されます。

これらの発見は、ヘッドベッド温度が当社の 3D プリント CB/PLA 電極の電気化学的活性に影響を及ぼさないことを強調していますが、これは PLA 部品では観察されず、加熱ベッド温度の上昇により隣接する層間の接着が改善されることが示されており、したがって電極の強度が向上します29,30。私たちの調査結果では、電流応答に違いは観察されませんでした。これは、電極が垂直方向に印刷されたためである可能性があります (電極の導電性が最適化されたため)。この配向では、電極のごく一部のみが加熱床温度の上昇による接着力の向上の恩恵を受けている可能性があります。ただし、印刷層が非常に少ない電極は、ヘッドベッド温度の影響をより大きく受ける可能性があります。

図 3A は、ルテニウムヘキサアミンを使用して評価した場合の 3D プリント電極のサイクリックボルタモグラムを示しています。図 3B は、200 °C、210 °C、および 220 °C と比較して、230 °C で印刷された電極の陰極ピーク電流が大幅に増加したことを示しています (p < 0.001、n = 7)。 200 °C (p < 0.001)、210 °C、および 220 °C (p < 0.01、n = 7) と比較した場合、240 °C で印刷された電極では電流の大幅な増加も観察されました。 230 °C と 240 °C の押出機温度で印刷された電極間で陰極ピーク電流の違いは観察されませんでした (n = 7)。さまざまな押出機温度で印刷された電極のΔE には有意差はありませんでした (n = 7、図 3C)。

外球と内球のレドックスプローブ上の、異なる押出機温度での 3D プリントされた CB/PLA 電極の応答。 (A) 0.05 V s-1 における 1 M KCl 中の 1 mM ルテニウムヘキサアミンの代表的なサイクリックボルタモグラム、(B) カソードピーク電流、(C) ルテニウムヘキサアミンの ΔE (D) 1 M KCl 中の 5 mM フェリシアン化物の代表的なサイクリックボルタモグラム0.05 V s−1 における (E) 陽極ピーク電流と (F) フェリシアン化物の ΔE。ノズルの直径は 0.6 mm、加熱床の温度は 50 °C でした。データは平均±SDとして示され、n = 7、*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001。

異なる押出機温度で作成された電極間の違いをさらに調査するために、内球酸化還元プローブフェロシアン化物を使用して測定が行われました。図 3D は、さまざまな押出機温度で作成された電極上のフェロシアン化物のサイクリックボルタモグラムの明らかな違いを示しています。図 3E は、フェロシアン化物の陽極ピーク電流の違いを示しています。これは、ルテニウムヘキサアミンで観察されたものと同様のパターンに従いました。 200 °C、210 °C、および 220 °C と比較した場合、230 °C で印刷された電極の陽極ピーク電流は大幅に増加しました (p < 0.001、n = 7、図 3E)。 240 °C で印刷した電極では、200 °C、210 °C、および 220 °C と比較して、陽極ピーク電流の大幅な増加も観察されました (p < 0.001、n = 7)。 230 °C と 240 °C の押出機温度で印刷された電極間で、陽極ピーク電流の違いは観察されませんでした (n = 7、図 3E)。 Randles-Ševčík 式を使用して計算された電気活性表面積は、230 °C の押出機温度で作成された電極の活性表面積が 0.157 ± 0.01 cm2 であり、電極の 20.0 ± 1.6% に相当することを示しました (補足表 1) ）。図 3F は、200 °C (p < 0.001)、210 °C (p < 0.001)、および 220 °C (p < 0.01、n = 7) と比較して、230 °C で印刷された電極の ΔE が大幅に低かったことを示しています。 ΔE の有意な減少も、200 °C (p < 0.05) および 210 °C (p < 0.001、n = 7、図 3F) と比較した場合、240 °C で印刷された電極で観察されました。不均一電子移動速度 (HET、k°) は、Nicholson40 による方法に基づいて計算され、230 °C の押出機温度で作成された電極の k° は 5.9 × 10−5 ± 9.3 × 10−6 cm s であることが示されました。 −１（補足表２）。

私たちの調査結果は、230 °C および 240 °C の押出機温度で製造された CB/PLA 電極が電気化学的活性を向上させたことを強調しています。これは、押出機の温度が上昇するにつれて電気活性表面積が増加することを示唆しています。これは、電極表面積の増加、および/または高温で印刷された電極の印刷層間の空隙のサイズ/数の減少による多数の導電経路の存在による可能性があります。

押出機の温度を変えると電極の電気化学的活性に大きな差があったため、静電容量と電気化学的インピーダンス分光測定を行うことにより、これらの変化が電極表面の変化によるものかどうかを調査しました。

静電容量は電極表面の電気活性面積に直接比例するため、サイクリックボルタンメトリーによって静電容量を測定しました。異なる押出機温度で作製した電極の1M KCl中のボルタモグラムを図4Aに示します。 200 °C (p < 0.001)、210 °C (p < 0.001)、220 °C (p < 0.05、n = 7、図) と比較して、230 °C で印刷された電極の静電容量は大幅に増加しました。 4B）。 200 °C (p < 0.001)、210 °C (p < 0.001)、220 °C (p < 0.01、n = 7) と比較した場合、240 °C で印刷された電極では静電容量の大幅な増加も観察されました。 230 °C と 240 °C の押出機温度で印刷された電極間で静電容量の違いは観察されませんでした (n = 7、図 4B)。

ノズル直径が 0.6 mm、加熱床温度が 50 °C の場合に、さまざまな押出機温度を使用して作成した 3D プリント電極の静電容量と抵抗率を比較します。 (A) 0.1 V s-1 での 1 M KCl におけるサイクリックボルタモグラム (B) 電極の全体的な静電容量データは、印刷速度を変化させます。 (C) 異なる印刷速度で作成された電極のナイキストプロット。 (D) 電荷移動抵抗 (Rct) の全体的な応答。データは平均±SDとして示され、n = 7、*p < 0.05、**p < 0.01および***p < 0.001。

さまざまな押出機温度で作成した電極のナイキストプロットを図 4C に示します。ここで、界面電荷移動抵抗 (Rct) が得られます。 200 °C、210 °C、および 220 °C と比較した場合、230 °C で印刷された電極では Rct が大幅に減少しました (p < 0.001、n = 7、図 2D)。 240 °C で印刷された電極では、200 °C (p < 0.001)、210 °C (p < 0.001)、220 °C (p < 0.01、n = 7、図.4D）。押出機温度 230 °C と 240 °C で印刷した電極間で Rct の差異は観察されませんでした (n = 7、図 4D)。私たちの調査結果は、より高い押出機温度で印刷すると、Rct が減少し、CB/PLA 電極上の静電容量が増加することを強調しています。これらの発見は、押出機温度の影響を調査する際に酸化還元プローブを使用して実施されたボルタンメトリー研究を裏付けています。全体として、これらの結果は、電極が低い押出機温度で印刷されると、電極表面積の違い、および/または空隙の数および/またはサイズの増加により存在する導電経路の数の減少のいずれかにより、電気活性表面が減少することを示唆しています。これにより、より低い押出機温度で印刷された電極の抵抗が高くなります。

電極表面の変化により電気化学的活性に違いが観察されるかどうかを理解するために、SEM 画像が取得されました。図 5A は、NaOH での電気化学的前処理後の CB/PLA 電極表面の 4 つの個別の印刷層の応答を示しています。異なる押出機温度で作製した異なる電極を比較した場合、各印刷層の幅および印刷層によって形成された凸状半円の深さには、明らかな目に見える違いは観察されなかった。電極表面の粗さについてさらに洞察を得るために、SEM 画像の画像プロファイル分析を実行しました。応答は図 5B に示されています。グレー値はグレースケールの尺度であり、値が小さいほど白に近づき、値が大きいほど黒に近づきます。電極表面の３層の印刷層の平均表面粗さ（Ｒａ）を求めた。押出機の温度が上昇するにつれて、電極表面の粗さは徐々に増加しました (図 5C)。 220 °C、210 °C (両方 p < 0.01)、および 200 °C (p < 0.001、n = 6) と比較した場合、240 °C の押出機温度で印刷された電極の粗さは大幅に増加しました。また、200 °C と比較した場合、230 °C で印刷された電極の粗さは大幅に増加しました (p < 0.05、n = 6)。これらの発見は、電極の粗さが増加し、電気活性表面積が潜在的に増加し、その結果、より高い押出機温度で観察される電気化学的活性の向上をもたらす可能性があることを示しています。

CB/PLA 電極表面の分析。 (A) さまざまな押出機温度で作成された CB/PLA 電極表面積の 4 つの印刷層の走査型電子顕微鏡イメージング。 (B) 単一印刷層の表面プロファイル分析、および (C) 電極の 3 つの印刷層から得られたグレー値で測定された平均表面粗さ (Ab) の分析。データは平均±SDとして示され、n = 6、*p < 0.05、**p < 0.01および***p < 0.001。

電極を形成する印刷層がどのように接着しているかを理解するために、電極の断面の SEM 画像を撮影しました (図 6)。印刷層間の密着性を比較すると、220 °C 以下で印刷された電極では印刷層間に空隙が明らかに存在し、押出機温度が低いとこれらの空隙のサイズが増大し、印刷層の構造秩序が減少します。これは、押出機の温度が低いと印刷層間の接着が低下することを示唆しています。これらの発見は、押出機の温度が低いと電気化学的活性が低下するのは、空隙の存在と印刷層間の接着力の低下によるものでもあり、その結果、オーム接続から電極表面への導電経路が形成される可能性が低下することを強く示しています。これらの発見は、PLA 部品を使用して実施された他の研究で観察された結果を裏付けるもので、押出機の温度が低いと印刷層間の空隙の存在が観察されました 20,31,32。

さまざまな押出機温度で製造された CB/PLA 電極の内部断面の走査型電子顕微鏡画像。矢印は、電極構造内の印刷層間に空隙が存在することを強調しています。

印刷電極の製造にはさまざまな 3D プリンタが利用されており、その機器の公差はさまざまです 41。この研究内で最適化された機器パラメーターを使用して、3 つの異なる 3D プリンターを比較しました。 Creality Ender 3 は最も安価で愛好家に広く使用されており、Flashforge Creator Pro は中級用途のプリンター、そして最後に Raise3D Pro2 はハイエンド用途のプリンターです。補足図2は、異なるプリンターを使用して作成されたCB / PLA電極の表面の印刷層に構造的な違いがないことを示しました。図 7A は、ルテニウムヘキサアミンのサイクリックボルタモグラムを示していますが、応答の違いは観察されませんでした。異なる 3D プリンターを比較した場合、陰極ピーク電流 (n = 7、図 7B) と ΔE (n = 7、図 7C) に有意な差はありませんでした。図 7D は、フェリシアン化物のサイクリックボルタモグラムを示していますが、応答の違いも観察されませんでした。 3D プリンター間で比較すると、陽極ピーク電流 (n = 7、図 7E) と ΔE (n = 7、図 7F) に有意な差はありませんでした。ただし、データからは、精度に明らかな違いがあり、相対標準偏差は Creality Ender 3 プリンターでは 6.7% でしたが、Flashforge Creator Pro では 3.7%、Raise 3D Pro2 では 3.3% に減少しました。したがって、これらの発見は、さまざまな 3D プリンターが電流や電子伝達の反応速度に全体的な影響を及ぼさないことを強調していますが、ハイエンドのプリンターは印刷の精度が高く、その結果、バッチ再現性が向上する可能性が高くなります。

さまざまな 3D プリンターを使用して作成された CB/PLA 電極の反応。 (A) 0.05 V s-1 における 1 M KCl 中の 1 mM ルテニウムヘキサアミンの代表的なサイクリックボルタモグラム、(B) カソードピーク電流、(C) ルテニウムヘキサアミンの ΔE (D) 1 M KCl 中の 5 mM フェリシアン化物の代表的なサイクリックボルタモグラム0.05 V s−1 における (E) 陽極ピーク電流と (F) フェリシアン化物の ΔE。押出機温度は２３０℃、加熱床温度は５０℃、ノズル直径は０．６ｍｍであった。データは平均値 ± SD、n = 7 として表示されます。

3D プリンティングは、センシング用途向けの導電性カーボン電極の製造に対するシンプルかつ効果的なアプローチとして登場しました。 3D 印刷可能な熱可塑性プラスチックに関して行われた研究では、3D プリンターの機器パラメーターが電極の機械的強度に大きな影響を与える可能性があることが示されています。しかし、これまでのところ、CB/PLA 電極の電気化学的活性に対する 3D プリンター機器の設定の影響を調査した研究はありません。押出機の温度を 230 °C および 240 °C にすると、電極表面の粗さが増加し、印刷層間の空隙の数が減少するため、CB/PLA 電極の電気化学的活性が向上しました。ノズルの直径が異なったり、加熱床の温度が変化しても、CB/PLA 電極の電気化学的活性は変化しませんでした。 3D プリンターが異なっても CB/PLA 電極の電気化学的活性は変わりませんでしたが、ハイエンド 3D プリンターでは電極のバッチ内のばらつきが減少しました。私たちの調査結果は、3D プリンティングを使用して導電性熱可塑性プラスチックを製造する場合、分析研究用にプリントされた電気化学センサーの性能を最適化するために機器の設定を考慮する必要があることを強調しています。

Creality Ender 3 プリンターを使用して、CB/PLA フィラメント (Proto pasta として販売され、英国の filaprint から購入) を使用して、高さ 3 mm、直径 10 mm のシリンダーを作成しました。印刷パラメータとして、2 つの外周シェル、100% 充填、印刷層の厚さ 0.1 mm、印刷速度 60 mm/s、および垂直方向を使用しました。以前の研究では、これらのパラメータが CB/PLA 電極の導電性を向上させることが強調されています 11、15、34。ノズル直径の影響を調査するために、0.3 ～ 0.6 mm のノズル直径を使用して、すべての電極を押出機温度 230 °C、加熱床温度 50 °C で印刷しました。加熱床温度の影響を理解するために、押出機の温度は 230 °C、ノズル直径は 0.6 mm で、電極は 50 °C と 70 °C で印刷されました。押出機温度の影響を調査するために、シリンダーを 200 ～ 240 °C の温度で作成しました。この範囲は、メーカーによって CB/PLA フィラメントの動作範囲として示されているため、選択されました。ノズルの直径は 0.6 mm、加熱床の温度は 50 °C でした。 3D プリンター間で比較するために、各マシンでノズル直径 0.6 mm、加熱床温度 50 °C、押出機温度 230 °C を使用して電極を作成しました。 Creality Ender 3 と並行して、Flashforge Creator Pro および Raise3D Pro2 プリンターを利用しました。

前に示したように、18 電気接続は、導電性銀エポキシ (CircuitWorks) を使用して銅線を CB/PLA シリンダーに取り付けることによって行われました。次に、これをグルーガンを使用して封止し、電極の周囲に絶縁体を形成し、シリンダーのディスクのみを露出させました。補足図 1 は、CB/PLA 電極を作成するアプローチを強調表示する概略図と、電気化学的研究に使用される最終電極の写真を提供します。

SEM 測定は、以前に公開されたアプローチ 18 に基づいて実行されました。簡単に説明すると、CB/PLA 電極は、二次電子検出モードで動作する Everhart-Thornley 検出器を備えた Zeiss SIGMA 電界放出銃 SEM を使用し、5 kV の加速電圧、20 μm の開口部、および 8.1 mm の作動距離を使用して画像化されました。 NaOH で電気化学的前処理を行った後、電極の表面を画像化しました。電極の電極構造の断面を調査するために、外周シェルなしで 1 cm の CB/PLA 立方体を印刷しました。

電気化学測定には 3 電極システムが使用され、対極は白金ワイヤ、参照電極は Ag|AgCl (3 M KCl)、作用電極は当社のさまざまな 3D プリント CB/PLA 電極でした。電気化学的実験を行うために、CH 760E ポテンシオスタット (CH インストゥルメント、テキサス州) を使用しました。

実験研究を行う前に、0.5 M NaOH 中で電位を Ag|AgCl に対して + 1.4 V で 200 秒間保持し、次に Ag|AgCl に対して - 1.0 V で 200 秒間保持することにより、電極表面に電気化学的前処理を実行しました 6,7。

測定は、1 M KCl中の1 mM ルテニウムヘキサアミン中で行われ、使用された電位ウィンドウは、Ag|AgClに対して0.1 Vから-0.5 Vでした。 1 M KCl 中の 5 mM フェリシアン化物での研究では、フェリシアン化物の電位ウィンドウは Ag|AgCl に対して + 0.7 ～ - 0.3 V でした。すべての実験は、50 mV/s のスキャン速度を使用して実行されました。

電気化学インピーダンス分光法 (EIS) 測定を実行して、電荷移動抵抗を取得しました。測定は、0.5 mM フェリシアン化カリウムおよび 1 M KCl 中の 0.5 mM フェロシアン化カリウム中で、陽極ピーク電位と等しい電位で実行されました。 100 kHz ～ 0.01 Hz の周波数範囲と 5 mV の振幅が使用されました。静電容量は、Ag|AgCl に対して - 0.1 ～ + 0.5 V の電位ウィンドウで 100 mV/s で 1 M KCl 中で測定され、計算は 0.3 V で行われました。

サイクリックボルタンメトリー測定は、CHI 760E ソフトウェア (CH インストゥルメント、テキサス州) を使用して、アノード/カソードのピーク電位、アノードとカソードのピーク電位の差 (ΔE)、およびアノード/カソードのピーク電流について分析されました。静電容量を測定するには、0.3 V でのアノード電流とカソード電流の平均差 (Δi) をスキャン速度の 2 倍 (2v) で割りました。次に、これを電極の幾何学的表面積によって正規化したところ、0.785 cm 242 でした。

CB/PLA 電極の粗さの違いを理解するために、Image J 1.53e ソフトウェア (NIH、米国) を使用して画像プロファイル分析を実行し、電極表面の表面プロファイルをグレー値として取得しました。電極表面の 3 つの印刷層にわたる平均表面粗さ (Ra) を取得し、異なる機器設定で作成した電極間で比較しました。データは平均値 ± 標準偏差 (SD) として示されました。統計分析 (GraphPad Prism 9.0) は、スチューデントの t 検定と Sidak 事後検定による二元配置分散分析を使用して実行されました。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、データ分析の支援について Bryony Butterworth 氏に感謝し、さらにこの研究を支援する資金を提供してくれた EPSRC (EP/V028391/1) に感謝したいと思います。

応用科学部、ブライトン、BN2 4GJ、英国

リコヴィア・シン・シャーギル、クロエ・L・ミラー、バヴィク・アニル・パテル

ストレスおよび加齢関連疾患センター、ブライトン、BN2 4GJ、英国

リコヴィア・シン・シャーギル、クロエ・L・ミラー、バヴィク・アニル・パテル

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転載と許可

Shergill, RS、Miller, CL & Patel, BA 3D プリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対する機器パラメータの影響。 Sci Rep 13、339 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27656-7

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受信日: 2022 年 11 月 16 日

受理日: 2023 年 1 月 5 日

公開日: 2023 年 1 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27656-7

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3D プリントされたカーボン熱可塑性電極の電気化学的活性に対する機器パラメータの影響