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纳米尺度电极上的电化学:单壁碳纳米管 (SWNTs) 和 SWNT 模板金属纳米线的个体。

Electrochemistry at nanoscale electrodes: individual single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and SWNT-templated metal nanowires.

机构信息

Department of Chemistry, University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, United Kingdom.

出版信息

ACS Nano. 2011 Dec 27;5(12):10017-25. doi: 10.1021/nn203823f. Epub 2011 Nov 28.

DOI:10.1021/nn203823f
PMID:22092149
Abstract

Individual nanowires (NWs) and native single-walled carbon nanotubes (SWNTs) can be readily used as well-defined nanoscale electrodes (NSEs) for voltammetric analysis. Here, the simple photolithography-free fabrication of submillimeter long Au, Pt, and Pd NWs, with sub-100 nm heights, by templated electrodeposition onto ultralong flow-aligned SWNTs is demonstrated. Both individual Au NWs and SWNTs are employed as NSEs for electron-transfer (ET) kinetic quantification, using cyclic voltammetry (CV), in conjunction with a microcapillary-based electrochemical method. A small capillary with internal diameter in the range 30-70 μm, filled with solution containing a redox-active mediator (FcTMA(+) ((trimethylammonium)methylferrocene), Fe(CN)(6)(4-), or hydrazine) is positioned above the NSE, so that the solution meniscus completes an electrochemical cell. A 3D finite-element model, faithfully reproducing the experimental geometry, is used to both analyze the experimental CVs and derive the rate of heterogeneous ET, using Butler-Volmer kinetics. For a 70 nm height Au NW, intrinsic rate constants, k(0), up to ca. 1 cm s(-1) can be resolved. Using the same experimental configuration the electrochemistry of individual SWNTs can also be accessed. For FcTMA(+/2+) electrolysis the simulated ET kinetic parameters yield very fast ET kinetics (k(0) > 2 ± 1 cm s(-1)). Some deviation between the experimental voltammetry and the idealized model is noted, suggesting that double-layer effects may influence ET at the nanoscale.

摘要

纳米线(NWs)和原生单壁碳纳米管(SWNTs)可以很容易地用作伏安分析的定义明确的纳米级电极(NSEs)。这里,通过模板辅助的电沉积在超长流排列的 SWNTs 上,展示了亚毫米长的 Au、Pt 和 Pd NWs 的简单无光刻制造,高度小于 100nm。单独的 Au NWs 和 SWNTs 都被用作电子转移(ET)动力学定量的 NSE,使用循环伏安法(CV),结合基于微毛细管的电化学方法。一个内径在 30-70μm 范围内的小毛细管,填充有包含氧化还原活性介质(FcTMA(+)(三甲基铵甲基铁)、Fe(CN)(6)(4-)或肼)的溶液,位于 NSE 上方,使得溶液弯月面完成电化学池。使用忠实再现实验几何形状的 3D 有限元模型,对实验 CV 进行分析,并使用 Butler-Volmer 动力学推导非均相 ET 的速率。对于 70nm 高的 Au NW,可以解析高达约 1cm s(-1)的固有速率常数 k(0)。使用相同的实验配置也可以访问单个 SWNTs 的电化学。对于 FcTMA(+/2+)电解,模拟的 ET 动力学参数产生非常快的 ET 动力学(k(0) > 2 ± 1cm s(-1))。实验伏安法和理想化模型之间存在一些偏差,这表明双层效应可能会影响纳米尺度上的 ET。

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