A Combined Flow Cell and Cold Trap Geometry of Online Differential Electrochemical Mass Spectrometry for Enhanced Detection Sensitivity

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作者
Ziyu Ji,Huanlei Zhang,Weiyi Zhang,Daokun Kang,Zijie Mao,MA Xian-yin,Wen-Bin Cai,Meng Lin,Kun Jiang
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (1): 88-94
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c06902
摘要

Online differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) enables real-time detection of volatile reactants, intermediates, and products, providing temporally and chemically resolved signals that facilitate the understanding of electrochemical reaction kinetics. In this work, we incorporated a cold trap accessory into the membrane-inlet DEMS open flow cell design, achieving highly sensitive detection of mass ion signals over a Faradaic current range from 50 μA to 100 mA and enabling product selectivity quantification in H2 evolution and CO2 reduction reactions with subsecond temporal resolution. Numerical simulations reveal that pervaporated H2O solvent dominates the flux of species across the polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane into the vacuum system, whereas the analyte concentration can be improved by 2 orders of magnitude after condensing these H2O molecules for subsequent ionization. Using monolayer CO stripping on a polycrystalline Pt electrode as a case study, the mass ion cyclic voltammograms for CO2 successfully replicate that of Faradaic current voltammograms corresponding to ca. 4.37 nmol of CO oxidation, demonstrating a 290-fold improvement in CO2 detection sensitivity with the cold trap design. This system's sensitivity and capability for real-time monitoring of volatile species demonstrate its utility in elucidating reaction kinetics and complex pathways across a broader range of gas-involved electrochemical processes.

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