单一纳米电极的制备与应用

Several metal-disk nanoelctrodes within 5 nm, including Pt, Au, Ag, have been fabricated by laser-assisted pulling method， and the electrodes have been characterized using TEM, SEM, EDX and electrochemical method. After that, the metal-disk electrode was immersed into HF solution for several seconds to etch the glass and a single metal nanowire electrode could be formed; or applied an AC potential to etch the metal wires inside the glass sheath and a single nanoporous electrode could be achieved. The nanoelectrodes can be modified by single nanoparticle or single biomolecule through different techniques such as chemical modification, electrochemical modification and self-assembly method. Combining fast-scan voltammetric technique, elecrochemical simulation and others, the nanoelectrodes modified by single nanoparticle/single biomolecule have been investigated carefully, and the mechanism of electrocatalysis/energy transfer will be explored at a single molecule/nanoparticle level, which can be used to select new catalysis with highly catalytic efficiency, and lower cost. On the other hand, the nanoelectrodes, including nanodisk electrode, nanopipette, nanochannel, are important probes extensively used in scanning electrochemical microscope (SECM). However, the size of commercial probes are too big (around 10 micrometer from CH instruments Co.), and it is impossible to get images with high resolution. So we will use the nanoelectrodes to investigate the applications in SECM, and also study the applications in single molecular electrochemical analysis, nanomaterials, electrochemical corrosion, etc.

本项目拟通过改进激光辅助拉制方法，制备得到半径小于5 纳米的Pt、Au、Ag 等金属纳米盘电极，并用TEM、SEM、EDX和电化学等方法对其进行表征。运用刻蚀技术制备得到单纳米孔电极、纳米线电极，再通过电化学、化学修饰、自组装等技术对纳米电极进行修饰，可望得到单纳米粒子、单生物分子修饰电极，结合快扫伏安技术、电化学信号模拟技术对所得到的修饰电极进行系统研究。试图从单纳米粒子、单分子角度研究一些常见的电催化和能量转化现象，从而从微观角度弄清催化反应与单纳米粒子、单分子之间的相互关系，为筛选出高性能、低成本的能量转化催化材料提供理论依据。运用制备得到的纳米电极、纳米孔电极，研究其在电化学扫描显微镜、单分子电化学分析、纳米材料、电化学腐蚀等多个领域的应用。

纳米电极因其独特的物理化学特性而在电催化、电分析领域有着巨大的应用前景，发展和制备新型纳米电极是现代电分析领域重要的研究方向之一。本项目发展了一种激光辅助拉制技术，制备金属纳米电极（包括纳米盘电极、纳米线电极和纳米孔电极），从单纳米粒子、单分子角度研究一些常见的电催化和能量转化现象，从而从微观角度弄清催化反应与单纳米粒子、单分子之间的相互关系。本课题制备得到半径小于5纳米的Pt、Au、Ag 等金属纳米电极，并用TEM、SEM、EDX和电化学等方法对其进行表征，同时开展电分析、电催化应用研究，主要内容包括：. 首先，利用利用改进的激光辅助拉制法制备出新型的单一金纳米盘电极和单一铂纳米盘电极，并且通过光学显微镜，透射电子显微镜（TEM）和电化学方法来表征。用二茂铁、铁氰化钾、六氨合钌等常见氧化还原电对对纳米盘电极进行了表征；研究了电极的尺寸效应，特别在质子传递速率常数等物理参数的影响。将制备的电极用于研究甲醇氧化反应(MOR)、氧气还原反应(ORR)，结果表明电极对MOR、ORR的电催化活性取决于电极的半径。. 此外，采用激光辅助拉制/氢氟酸(HF)刻蚀工艺，制备了Au纳米线(AuNWE)和Pt@Au纳米线电极，并用透射电子显微镜(TEM)、电化学方法和有限元模拟等手段对其进行了表征。单一金纳米线电极和单一Pt @ Au纳米线电极表现出稳态伏安响应和快的电子传递速率。将制备好的AuNWE电极用于构建基于形成Au-S键的电化学适体纳米传感器（E-AB纳米传感器），另外Pt@Au纳米线电极用于制造E-DNA传感器并用于研究单纳米线水平下的氧还原反应。. 最后，采用激光辅助拉制法制备了纳米尺寸的SECM Au尖端，并用扫描电镜（SEM）和电化学方法对其进行了表征。 在SECM测试中，使用I - / I3- Redox对作为介质，用于绘制每个金属基底上尖端电流的时间和空间演变，有或没有划痕的纳米复合涂层。 结果表明，将SECM的产生-收集（G-C）模式与反馈电流模式相结合是合适的，以阐明所研究的三种金属的局部腐蚀的可能反应机理和途径。