Наноэлектрохимия: Материалдардың нанометрлік деңгейдегі электрлік қасиеттері мен қолданыстары
Nanoelectrochemistry
Наноэлектрохимия: нанометрлік материалдардың электрлік қасиеттерін зерттеу, сенсорлар жасау, молекулаларды анықтау. Теориялық модельдер, электрондық трансфер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Наноэлектрохимия – нанометрлік өлшемдерде материалдардың электрлік және электрохимиялық қасиеттерін зерттейтін электрохимияның бір саласы. Наноэлектрохимия әртүрлі сенсорларды және молекулаларды өте төмен концентрацияда анықтауға арналған құрылғыларды жасауда маңызды рөл атқарады.
Nanoelectrochemistry is a branch of electrochemistry that investigates the electrical and electrochemical properties of materials at the nanometer size regime. Nanoelectrochemistry plays significant role in the fabrication of various sensors, and devices for detecting molecules at very low concentrations.
Механизм
Наноэлектрохимияда электрондық тасымалдау және массалық тасымалдау екі негізгі тасымалдау механизмі болып табылады. Теориялық модельдерді жасау электрохимиялық реакцияларға қатысатын түрлі компоненттердің рөлін түсінуге мүмкіндік береді. Реактив пен наноэлектрод арасындағы электрондық тасымалдау Маркус теориясына негізделген түрлі теориялардың комбинациясы арқылы түсіндіріледі. Массалық тасымалдау, яғни реактивті молекулалардың электролиттен наноэлектродқа диффузиясы, электрод/электролит интерфейсіндегі қос электр қабатының қалыптасуымен әсер етеді. Наноөлшемде Стерн қабаты мен диффузиялық қабаттың өзара жабысуын ескеретін динамикалық қос электр қабатын теориялық тұрғыдан қарастыру қажет. Мұндай механизмдерді білу, электрондық тасымалдау теорияларымен және динамикалық қос электр қабатымен үйлесетін есептеу модельдерін құруға мүмкіндік береді. Молекулалық модельдеу саласындағы дәл модельдер, реактивтер, электролиттер немесе электродтар өзгерген кезде жүйенің қалай өзгеретінін болжауға мүмкіндік береді.
Two transport mechanisms are fundamental for nanoelectrochemistry: electron transfer and mass transport. The formulation of theoretical models allows to understand the role of the different species involved in the electrochemical reactions. The electron transfer between the reactant and the nanoelectrode can be explained by the combination of various theories based on the Marcus theory. Mass transport, that is the diffusion of the reactant molecules from the electrolyte bulk to the nanoelectrode, is influenced by the formation of a double electric layer at the electrode/electrolyte interface. At the nanoscale it is necessary to theorize a dynamic double electric layer which takes into account an overlap of the Stern layer and the diffuse layer. Knowledge of the mechanisms involved allows to build computational models that combine the density functional theory with electron transfer theories and the dynamic double electric layer. In the field of molecular modelling, accurate models could predict the behaviour of the system as reactants, electrolyte or electrode change.
Интерфейс әсері
Жер бетінің рөлі реакцияға қатысты өте айқын: бір сайт белгілі бір реакцияларды катализдесе, басқаларын тежеуі мүмкін. TSK моделіне сәйкес, нанокристаллдардағы беттік атомдар терраса, саты немесе бұрылыс жағдайында орналасады: әрбір жағдайдың реактивтерді сіңіруге және оларды беткей бойымен жылжытуға әртүрлі бейімділігі бар. Әдетте, координациялық саны төмен (сатылар мен бұрылыстар) жағдайлар жоғары бос энергияға ие болғандықтан, олар көбірек реакциялық қабілеттілікке ие. Дегенмен, жоғары энергиялы жағдайлар термодинамикалық тұрақтылығы төмен, ал нанокристаллдар тепе-теңдік пішініне өтуге бейім. Нанобөлшектерді синтездеудегі жетістіктердің арқасында қазір беттік ғылымға бір кристаллдық тәсіл қолдану мүмкін болды, бұл нақты беттің әсерін зерттеуге мүмкіндік береді. Реакция жылдамдығы мен ең көп таралған электрохимиялық реакциялардың таңдамалылығына беттің әсерін анықтау мақсатында, реактивтерді қамтитын ерітіндіге (100), (110) немесе (111) жазықтықтарын ашып көрсететін наноэлектродтар зерттелді.
The role of the surface is strongly reaction specific: in fact, one site can catalyze certain reactions and inhibit other ones. According to TSK model, surface atoms in nanocrystals can occupy terrace, step or kink positions: each site has a different tendency to adsorb reactants and to let them move along the surface. Generally, sites having lower coordination number (steps and kinks) are more reactive due to their high free energy. High energy sites, however, are less thermodynamically stable and nanocrystals have a tendency to transform to their equilibrium shape. Thanks to the progress in nanoparticles synthesis it is now possible to have a single crystal approach to surface science, allowing more precise research on the effect of a given surface. Studies have been conducted on nanoelectrodes exposing a (100), (110) or (111) plane to a solution containing the reactants, in order to define the surface effect on reaction rate and selectivity of the most common electrochemical reactions.