Наноэлектрохимия
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июнь 2019 г. ) |
Наноэлектрохимия — это раздел электрохимии , который исследует электрические и электрохимические свойства материалов в режиме нанометровых размеров. Наноэлектрохимия играет значительную роль в изготовлении различных сенсоров и устройств для обнаружения молекул в очень низких концентрациях.
Механизм
[ редактировать ]Два транспортных механизма являются фундаментальными для наноэлектрохимии: перенос электрона и массоперенос . Формулировка теоретических моделей позволяет понять роль различных веществ, участвующих в электрохимических реакциях.
Перенос электрона между реагентом и наноэлектродом можно объяснить сочетанием различных теорий, основанных на теории Маркуса .
На массоперенос, то есть диффузию молекул реагентов из объема электролита к наноэлектроду, влияет образование двойного электрического слоя на границе раздела электрод/электролит. На наноуровне необходимо теоретизировать динамический двойной электрический слой, который учитывает перекрытие слоя Штерна и диффузного слоя . [1]
Знание задействованных механизмов позволяет строить вычислительные модели, сочетающие теорию функционала плотности с теориями переноса электронов и динамическим двойным электрическим слоем. [2] В области молекулярного моделирования точные модели могут предсказать поведение системы при смене реагентов, электролита или электрода.
Эффект интерфейса
[ редактировать ]Роль поверхности сильно зависит от реакции: фактически один центр может катализировать одни реакции и ингибировать другие.
Согласно модели TSK , поверхностные атомы в нанокристаллах могут занимать позиции террасы, ступеньки или излома: каждое место имеет различную тенденцию адсорбировать реагенты и позволять им перемещаться по поверхности. Как правило, сайты с более низким координационным числом (ступени и изломы) более реакционноспособны из-за их высокой свободной энергии. Однако высокоэнергетические центры менее термодинамически стабильны, и нанокристаллы имеют тенденцию трансформироваться к своей равновесной форме .
Благодаря прогрессу в синтезе наночастиц теперь возможно использовать монокристаллический подход к науке о поверхности, что позволяет более точно исследовать влияние данной поверхности. Были проведены исследования на наноэлектродах, подвергающих плоскости (100), (110) или (111) раствору, содержащему реагенты, с целью определения влияния поверхности на скорость и селективность наиболее распространенных электрохимических реакций. [3]
Наноэлектроды
[ редактировать ]Наноэлектроды — это крошечные электроды из металлов или полупроводниковых материалов , типичные размеры которых составляют 1–100 нм.Были разработаны различные формы наноэлектродов с использованием различных возможных технологий изготовления: среди наиболее изученных - нанополосная, дисковая, полусферическая, нанопористая геометрия, а также различные формы углеродных наноструктур. [4] [5]
Необходимо охарактеризовать каждый выпускаемый электрод: размер и форма определяют его поведение. Наиболее часто используемые методы характеристики: [4] [6]
- Электронная микроскопия
- Стационарная вольтамперометрия
- Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
- сканирующая электрохимическая микроскопия (СЭКМ)
В основном есть два свойства, которые отличают наноэлектроды от электродов: меньшая константа RC и более быстрый массоперенос. Первый позволяет проводить измерения в растворах с высоким сопротивлением, поскольку они обладают меньшим сопротивлением, второй, благодаря радиальной диффузии, обеспечивает гораздо более быстрые вольтамперометрические отклики. Благодаря этим и другим свойствам наноэлектроды находят применение в различных областях: [1] [4]
- Изучение кинетики быстрых реакций
- Электрохимические реакции
- Изучение небольших объемов, таких как клетки или отдельные молекулы.
- В качестве зондов для получения изображений высокого разрешения при помощи сканирующей электрохимической микроскопии (СЭКМ).
Наноэлектродные массивы
[ редактировать ]Основные преимущества использования наноэлектродов и массивов наноэлектродов включают улучшенный массоперенос, более низкую емкость, способность работать в меньших объемах и меньшую общую площадь устройства. [7]
Электрический ток, генерируемый на электроде, пропорционален геометрической площади электрода. Недостатком использования одного наноэлектрода является то, что он генерирует небольшой выходной ток, что оказывает давление на приборы и, в свою очередь, снижает надежность записываемых измерений. Одним из способов преодоления этой проблемы является использование массива наноэлектродов. Массивы производят ток, пропорциональный количеству электродов в массиве. Этот метод широко используется в электроанализе. Благодаря тщательному и точному изготовлению массивов наноэлектродов электрохимические приборы становятся более надежными для чувствительных измерений, что позволяет реализовать ряд электроаналитических методов. [8]
Существует два основных типа договоренностей; массивы наноэлектродов (NEA), где наноэлектроды расположены упорядоченно, и ансамбли наноэлектродов (NEE), где отдельные наноэлектроды распределены случайным образом.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Mirkin, MV; Amemiya, S. (2015). Nanoelectrochemistry . CRC Press. doi : 10.1201/b18066 . ISBN 9780429096877 .
- ^ Ту, Ю.; Дэн, Д.; Бао, X. (2020). «Наноуглероды и их гибриды как катализаторы неводных литий-кислородных аккумуляторов». Журнал энергетической химии . 25 (6): 957–966. дои : 10.1016/j.jechem.2016.10.012 .
- ^ Копер, МТМ (2011). «Структурная чувствительность и наномасштабные эффекты в электрокатализе». Наномасштаб . 3 (5). Королевское химическое общество: 2054–2073 гг. Бибкод : 2011Nanos...3.2054K . дои : 10.1039/c0nr00857e . ПМИД 21399781 .
- ^ Jump up to: а б с Клаусмейер, Дж.; Шуман, В. (2016). «Наноэлектроды: применение в электрокатализе, анализе одиночных клеток и электрохимической визуализации высокого разрешения». TrAC Тенденции в аналитической химии . 79 : 46–59. дои : 10.1016/j.trac.2016.01.018 .
- ^ Крапф, Диего; Ву, Мэн-Юэ; Смитс, Ральф М.М.; Зандберген, Хенни В.; Деккер, Сис; Лемей, Серж Г. (1 января 2006 г.). «Изготовление и характеристика электродов на основе нанопор радиусом до 2 нм» . Нано-буквы . 6 (1): 105–109. дои : 10.1021/nl052163x . ISSN 1530-6984 .
- ^ Кокс, Джей Ти; Чжан, Бо (2012). «Наноэлектроды: последние достижения и новые направления». Ежегодный обзор аналитической химии . 5 : 253–272. Бибкод : 2012ARAC....5..253C . doi : 10.1146/annurev-anchem-062011-143124 . ПМИД 22524228 .
- ^ Арриган, Дэмиен ВМ (2021). Наноэлектродные массивы для электроанализа . Эльзевир. стр. 49–86.
- ^ Арриган, Дэмиен В.М. (2004). «Наноэлектроды, наноэлектродные массивы и их применение». Аналитик . 129 : 1157–1165.