纳米阵列电极研究*

纳米阵列电极作为一种人工组装的纳米结构体系,具有高传质速率、低双电层充电电流、小时间常数、小IR降及高信噪比、可操作性强和测量灵敏度高等优势,因而在电化学理论研究、生物传感器、电催化材料和高能化学电源电极材料等方面等具有广阔的应用前景。迄今为止,人们采用多种材料设计制备出包括圆盘状、圆柱形、球形、圆锥形、叉指状和井状等各种形状的纳米阵列电极。其制作方法主要包括模板法、刻蚀法和自组装法等,电极的表征主要采用电子显微镜技术和电化学方法。本文结合我们的工作和国内外文献,就纳米阵列电极制作方法、表征和应用等方面进行了评述,并对目前纳米阵列电极研究中存在的问题及发展前景进行了探讨和展望。     

模板法组装纳米有序阵列的研究进展

由金属、半导体、碳纳米管、聚苯胺等组成的纳米有序阵列体系,在能量存储或转换、传感等方面具有广阔的应用前景。模板法组装纳米有序阵列体系是以具有特定微孔结构的材料为模板,通过电化学沉积、溶胶-凝胶沉积和化学气相沉积等手段,让纳米单元在模板提供的受控环境中原位生成,形成纳米有序阵列体系。模板法具有可控性好、工艺简便、能耗低等优点。本文综述了模板法组装纳米有序阵列体系的研究进展,并对纳米有序阵列体系的应用前景作了展望。     

电沉积法制备3D镍纳米阵列电极材料及电化学性能研究

本文通过电化学沉积法制备了3D镍纳米阵列电极材料。通过X-射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了电极材料的晶态结构和微观形貌,同时详细研究了其电化学性能。制备的电极材料具有3D镍纳米阵列结构,极大地提高了其离子传输速度,进而提高了其电化学性能。该电极的比容量能达到500F/g,在电流密度不断增加的情况下电极的容量损失较少,依然能达到80%。该电极材料在超级电容器领域具有很好的应用前景。     

水滑石纳米阵列电极在能量储存和转化中的应用

纳米技术在能源领域的应用为解决化石燃料的消耗和环境污染问题提供了新的契机.水滑石(LDHs)作为一类典型的阴离子黏土材料,其独特的组成、结构及形貌可调性,使其成为一类优秀的能源储存和转化材料.其中,将水滑石材料进行纳米阵列结构化设计,结合水滑石优异的物理化学性能和纳米阵列的结构特性,已经成为构建高性能电化学电极的重要方法.本文综述了水滑石基纳米阵列电极的合成及其在电化学能量储存和转化上的应用,并进一步讨论了水滑石纳米阵列材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

双极纳米电极阵列实现单个铂纳米颗粒上氢气析出反应的电致化学发光成像（英文）

本文制备了嵌于多孔阳极氧化铝(AAO)膜中直径为200 nm,间距为450 nm的高密度(5.7×10~8 cm~(-2))的金纳米电极阵列,纳米电极分布规则,尺寸高度均一。我们将该金纳米电极阵列作为双极电极阵列,可将电极一侧的电化学法拉第信号在另一侧电极上转化成电致化学发光(ECL)信号,从而实现对单个铂纳米颗粒上氢气析出反应(HER)进行亚微米空间分辨率的电化学成像。本文介绍的方法为高空间分辨率成像电催化材料、能源材料以及细胞过程的局部电化学活性提供了一个良好的平台。     

双极纳米电极阵列实现单个铂纳米颗粒上氢气析出反应的电致化学发光成像

本文制备了嵌于多孔阳极氧化铝（AAO）膜中直径为200 nm,间距为450 nm的高密度（5.7 × 10⁸ cm^-2）的金纳米电极阵列,纳米电极分布规则,尺寸高度均一。我们将该金纳米电极阵列作为双极电极阵列,可将电极一侧的电化学法拉第信号在另一侧电极上转化成电致化学发光（ECL）信号,从而实现对单个铂纳米颗粒上氢气析出反应（HER）进行亚微米空间分辨率的电化学成像。本文介绍的方法为高空间分辨率成像电催化材料、能源材料以及细胞过程的局部电化学活性提供了一个良好的平台。     

铂纳米棒有序阵列催化电极在被动式直接甲醇燃料电池中的应用

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有能量密度高、无需充电、液体燃料添加便捷及环境友好等优点,是新一代便携式移动电源研究热点. DMFC规模应用的主要技术挑战是如何进一步提高电池性能、显著降低成本和可靠延长寿命.催化电极作为 DMFC发电核心和成本的集中体现,其电催化活性和贵金属用量直接影响 DMFC的性能和成本,开发高性能、低成本的催化电极对推进 DMFC实用化进程具有重要意义.特别是在被动式 DMFC中,阴极催化电极不仅需要提高电催化活性和大幅降低贵金属用量,而且还面临内部严重的“水淹”和氧传质受限等问题.近年来,随着纳米技术发展,有序纳米结构已逐渐应用于 DMFC催化电极的构筑中,电池性能得到显著提高.然而,目前的研究主要集中在膜电极纳米有序微孔层、纳米有序改性膜和纳米有序阳极催化电极及其阳极贵金属载量降低等方面,关于阴极催化电极在有序纳米结构以及载量降低等方面的研究相对较少.
　　本文采用模板法直接在微孔层上电沉积定向生长排列有序、直径可控的铂纳米棒阵列,并作为阴极催化电极应用于被动式 DMFC. X射线衍射和透射电镜结果表明,该铂纳米棒结构稳定,表面含有丰富的纳米晶须结构,有利于催化电极比表面积增加和电催化活性提高.不同催化电极上氧还原的极化曲线表明电极性能依下列次序变化：直径为200 nm铂纳米棒阵列电极>100 nm铂纳米棒阵列电极>商业化铂黑催化电极.电池性能表征表明,长度为1–3μm、直径分别为200和100 nm、载量为1.0 mg/cm2的铂纳米棒阵列作为阴极催化电极的 DMFC最大功率密度分别为17.3和12.0 mW/cm2.通过催化电极电化学活性面积和阻抗测试,分析其性能提高的原因可归结于有序排列的铂纳米棒阵列结构提高了电化学活性面积、增强了氧还原电催化活性并促进了阴极氧的传质.     

基于微机械电子系统的电化学电极阵列的研制

为了克服传统电化学电极反应液需要量较大、预处理繁琐和耗时的不足,本研究通过腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散和溅射等工艺在75 mm×25 mm光学玻片上制备了基于微机械电子系统的电化学电极阵列。该电极阵列含有16个电极单元,每个单元之间的差异性≤3.7%;电极表面Rct=28Ω,预处理时间1 min;反应液量1～50μL。用此电极阵列构建的生物传感器实现了对大肠杆菌特异性靶分子序列的检测,检测下限达到1×10-8mol/L。结果表明,此电化学电极阵列能满足多通道微量检测的需求,在其表面可方便地进行生物功能化修饰,应用范围广,实用性强。     

铂纳米棒有序阵列催化电极在被动式直接甲醇燃料电池中的应用（英文）

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有能量密度高、无需充电、液体燃料添加便捷及环境友好等优点,是新一代便携式移动电源研究热点.DMFC规模应用的主要技术挑战是如何进一步提高电池性能、显著降低成本和可靠延长寿命.催化电极作为DMFC发电核心和成本的集中体现,其电催化活性和贵金属用量直接影响DMFC的性能和成本,开发高性能、低成本的催化电极对推进DMFC实用化进程具有重要意义.特别是在被动式DMFC中,阴极催化电极不仅需要提高电催化活性和大幅降低贵金属用量,而且还面临内部严重的"水淹"和氧传质受限等问题.近年来,随着纳米技术发展,有序纳米结构已逐渐应用于DMFC催化电极的构筑中,电池性能得到显著提高.然而,目前的研究主要集中在膜电极纳米有序微孔层、纳米有序改性膜和纳米有序阳极催化电极及其阳极贵金属载量降低等方面,关于阴极催化电极在有序纳米结构以及载量降低等方面的研究相对较少.本文采用模板法直接在微孔层上电沉积定向生长排列有序、直径可控的铂纳米棒阵列,并作为阴极催化电极应用于被动式DMFC.X射线衍射和透射电镜结果表明,该铂纳米棒结构稳定,表面含有丰富的纳米晶须结构,有利于催化电极比表面积增加和电催化活性提高.不同催化电极上氧还原的极化曲线表明电极性能依下列次序变化:直径为200 nm铂纳米棒阵列电极100 nm铂纳米棒阵列电极商业化铂黑催化电极.电池性能表征表明,长度为1–3μm、直径分别为200和100nm、载量为1.0 mg/cm2的铂纳米棒阵列作为阴极催化电极的DMFC最大功率密度分别为17.3和12.0 m W/cm~2.通过催化电极电化学活性面积和阻抗测试,分析其性能提高的原因可归结于有序排列的铂纳米棒阵列结构提高了电化学活性面积、增强了氧还原电催化活性并促进了阴极氧的传质.     

淬火处理对TiO2纳米管阵列电极性能影响

为使TiO2纳米管阵列电极更好地应用于太阳能电池中,通过恒压阳极氧化法以0.5%(w,质量分数)NH4F/甘油作为电解液,在钛基体上制备出了TiO2纳米管阵列.随后将TiO2纳米管阵列电极在水中进行不同温度淬火处理,通过x射线衍射(XRD)仪、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)和循环伏安法(CV)研究经淬火处理的TiO2纳米管阵列的形貌、晶体结构和电化学性能.研究得出TiO2纳米管阵列经淬火处理其表面获得更多Ti3+缺陷点和TiO2纳米碎片.经0℃淬火处理的TiO2纳米管阵列电极出现了更多Ti3+缺陷点和OH基团,且有更多的纳米碎片出现,其光电化学性能得到了大幅度提高,其40 min光照对甲基橙的光催化降解率高达96.2%.