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為了對氣泡生長演化過程進行更細致的研究,有學者研究出能夠產生納米級氣泡的鉑納米盤電極,隨著電極尺寸的減小,徑向擴散成為主要方式,使得質量傳輸更快,伏安圖更加穩定,從而可進行穩態實驗來研究氣泡動力學。通過將電極尺寸從微米縮小到納米尺度,研究更快的電化學和化學反應也成為可能。
圖1電解裝置示意圖
Woo等制備納米盤電極是通過電化學蝕刻微絲制作的,將除頂點以外的部位用指甲油覆蓋,然后用40 ns的脈沖來切割頂端,如圖2所示。掃描電鏡圖像顯示,隨著脈沖蝕刻的增加,電極尖點尺寸減小,表面變平,由于其具有明確的形狀,此微電極具有更好的電化學性能。
圖2金微電極的制造工藝示意圖
研制出一種簡單的制備玻璃納米級金和鉑盤電極、玻璃納米孔電極和玻璃納米孔膜的方法,如圖3所示。這三種結構的合成都是通過將電化學銳化的金和鉑的微絲尖端密封在鈉石灰或玻璃毛細管末端的玻璃膜上,金和鉑納米盤電極是通過使用基于高輸入阻抗金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的電路手工拋光來獲得的,以此來監控金屬盤的半徑,從而可以得到10 nm的鉑盤電極。通過去除玻璃膜中密封的部分或全部金屬,可以分別制備玻璃納米孔電極和玻璃納米孔膜。
圖3納米盤電極、玻璃納米孔電極、玻璃納米孔膜示意圖
通過納米盤電極觀察單個納米氣泡的生長過程,單個納米氣泡的電化學形成示意圖如圖4所示。實驗使用的是半徑小于50 nm的鉑納米盤電極,通過分析電流和電壓之間的關系,觀察到與質子傳輸限制減少相關的電流突然下降,這對應于附著在納米盤電極上單個納米氣泡的形成。由于內部拉普拉斯壓力較高,納米氣泡迅速溶解,但在部分暴露的鉑電極表面,氫氣的生成恰好平衡了這種溶解,從而產生動態穩定的納米氣泡。在納米氣泡形成過程中,電流隨時間變化關系表明,氣泡成核和生長的時間分別為100滋s和1 ms。
圖4單個納米氣泡的電化學形成示意圖
Sukeri等提出了一種簡單的,在金電極表面制備納米多孔金膜的方法,該方法合成的微電極在低過電位(-0.045 V)下對溶解氧還原具有較好的電催化活性,靈活度提高了2倍。
納米盤電極制備相對復雜,成本高,但此電極可以產生納米級的氣泡。實驗中通過記錄電流信號得到氣泡的成核和生長以及脫離的時間,當電流達到足夠大時,電解質中離子的過飽和會導致納米氣泡的形成。需要注意的是,在使用納米盤電極進行實驗時,電極的實際形態可能與所見到的不完全相同,這可能會導致測量誤差。