Nanoelektrochemie - Nanoelectrochemistry

Nanoelektrochemie je pobočkou elektrochemie který vyšetřuje elektrický a elektrochemické vlastnosti materiálů na nanometr režim velikosti. Nanoelektrochemie hraje významnou roli při výrobě různých senzory a zařízení pro detekci molekul při velmi nízkých koncentracích.

Mechanismus

Pro nanoelektrochemii jsou zásadní dva transportní mechanismy: elektronový přenos a hromadná doprava. Formulace teoretických modelů umožňuje pochopit roli různých druhů podílejících se na elektrochemických reakcích.

Přenos elektronů mezi reaktantem a nanoelektrodou lze vysvětlit kombinací různých teorií založených na Marcusova teorie.

Transport hmoty, to znamená difúze molekul reaktantu z objemu elektrolytu do nanoelektrody, je ovlivněn tvorbou dvojité elektrické vrstvy na rozhraní elektroda / elektrolyt. V nanoměřítku je nutné teoretizovat dynamickou dvojitou elektrickou vrstvu, která bere v úvahu překrytí Sternovy vrstvy a difuzní vrstva.[1]

Znalost zapojených mechanismů umožňuje vytvářet výpočetní modely, které kombinují hustota funkční teorie s teoriemi přenosu elektronů a dynamickou dvojitou elektrickou vrstvou.[2]V oblasti molekulárního modelování by přesné modely mohly předpovídat chování systému jako změny reaktantů, elektrolytů nebo elektrod.

Efekt rozhraní

Role povrchu je silně specifická pro konkrétní reakci: ve skutečnosti může jedno místo katalyzovat určité reakce a inhibovat jiné.
Podle Model TSK, povrchové atomy v nanokrystalech mohou zaujímat terasové, krokové nebo zalomené polohy: každé místo má jinou tendenci adsorbovat reaktanty a nechat je pohybovat se po povrchu. Obecně jsou stránky s nižším koordinačním číslem (kroky a smyčky) reaktivnější díky své vysoké volné energii. Vysokoenergetická místa jsou však méně termodynamicky stabilní a nanokrystaly mají tendenci se na ně transformovat rovnovážný tvar.

Díky pokroku v syntéze nanočástic je nyní možné mít jednokrystalický přístup k vědě o povrchu, což umožňuje přesnější výzkum účinku daného povrchu. Byly provedeny studie na nanoelektrodách vystavujících rovinu (100), (110) nebo (111) roztoku obsahujícímu reaktanty, aby bylo možné definovat povrchový účinek na rychlost reakce a selektivitu nejběžnějších elektrochemických reakcí.[3]

Nanoelektrody

Nanoelektrody jsou malé elektrody vyroben z kovy nebo polovodičové materiály které mají typické rozměry 1 - 100 nm. Byly vyvinuty různé formy nanoelektrod využívající různé možné výrobní techniky: mezi nejstudovanější patří nanopásmová, disková, hemisférická, nanopórovitá geometrie a různé formy uhlíkových nanostruktur.[4]

Je nutné charakterizovat každou vyrobenou elektrodu: velikost a tvar určují její chování. Nejpoužívanější charakterizační techniky jsou: [4][5]

Existují hlavně dvě vlastnosti, které odlišují nanoelektrody od elektrod: menší RC konstanta a rychlejší přenos hmoty. První umožňuje provádět měření v řešeních s vysokou odolností, protože nabízejí menší odpor, druhá v důsledku radiální difúze umožňuje mnohem rychlejší odezvy voltametrie. Díky těmto a dalším vlastnostem se nanoelektrody používají v různých aplikacích:[1][4]

  • Studium kinetiky rychlých reakcí
  • Elektrochemické reakce
  • Studium malých objemů, jako jsou buňky nebo jednotlivé molekuly
  • Jako sondy pro získávání obrázků s vysokým rozlišením pomocí skenovací elektrochemické mikroskopie (SECM)

Reference

  1. ^ A b Mirkin, M.V .; Amemiya, S. (2015). Nanoelektrochemie. CRC Press. doi:10.1201 / b18066. ISBN  9780429096877.
  2. ^ Tu, Y .; Deng, D .; Bao, X. (2020). „Nanokarbony a jejich hybridy jako katalyzátory pro nevodné lithium-kyslíkové baterie“. Journal of Energy Chemistry. 25 (6): 957–966. doi:10.1016 / j.jechem.2016.10.012.
  3. ^ Koper, M.T.M. (2011). "Strukturální citlivost a účinky nanometrů v elektrokatalýze". Nanoměřítko. Královská společnost chemie. 3 (5): 2054–2073. Bibcode:2011Nanos ... 3,2054K. doi:10.1039 / c0nr00857e. PMID  21399781.
  4. ^ A b C Clausmeyer, J .; Schuhmann, W. (2016). „Nanoelektrody: Aplikace v elektrokatalýze, jednobuněčné analýze a elektrochemickém zobrazování s vysokým rozlišením“. Trac Trends in Analytical Chemistry. 79: 46–59. doi:10.1016 / j.trac.2016.01.018.
  5. ^ Cox, J.T .; Zhang, Bo (2012). "Nanoelektrody: Nedávné pokroky a nové směry". Roční přehled analytické chemie. 5: 253–272. Bibcode:2012ARAC .... 5..253C. doi:10.1146 / annurev-anchem-062011-143124. PMID  22524228.

externí odkazy