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单颗粒的电化学阻抗谱研究

  电化学阻抗谱(EIS)一直吸引着电化学家们的研究兴趣,这不仅因为它是研究电极界面最有价值的工具之一,而且还为开发不同类型的化学和生物传感器提供了一个良好的平台。因此,EIS已广泛应用于不同应用领域中,从最初测定双电层电容到现在的监测化合物的形成、防腐聚合物涂层的降解研究以及电池的电化学性能评估等。虽然EIS是一种分析各种电化学现象的强有力方法,但是这种方法通常获得的是整个电极表面的平均电化学行为。然而,电极表面往往是不均匀的,很少能够呈现出理想的电化学行为,从而导致了对一些数据解释会存在一定的困难。正是由于这些原因,局域的电化学阻抗谱(L-EIS)被开发了出来且得到了广泛的应用,但是这种方法也存在明显的缺陷,例如空间分辨率不足。后来,利用光学成像方法与电化学技术联用,基于等离激元的电化学阻抗显微镜(P-EIM)被开发了出来,该技术可以实现亚微米空间分辨率,在单细胞、分子间相互作用以及小分子检测等领域中得到了广泛的应用。然而,基于单纳米颗粒的EIS还尚未实现。研究单个纳米粒子的EIS不仅有助于提高对纳米级界面非法拉第充放电过程的理解,而且还能更好地研究单个纳米粒子的表面性质。

  如图1a所示,我们搭建了一套单色暗场显微镜(DFM),可以用于直接测定单个AuNRsEIS(图1b),从而利用单个AuNRsEIS还能直测定单个AuNR的表面电容。与传统依赖于记录电极电流的EIS不同,本文提出了一种基于光电转换模型的方式来记录单个AuNRsEIS。在非法拉第的充电和放电过程中,单个AuNR的电子密度随着充放电过程周期性进行而发生相应的变化,具体表现为单个AuNRs的散射强度值相应的增加和降低。结果表明,我们所获得的单个AuNRsEIS在低频区域(< 100Hz)呈现出了在非法拉第充放电过程中电解质溶液中离子的影响,而在高频区域(> 100Hz)则展现出了标准的非法拉第充放电行为,为此我们可以准确计算单个AuNRs的表面电容(36.6 ± 11.8 μF/cm2, N=10)。所以,利用我们自己搭建的这套暗场成像装置,可以将单个AuNRs的非法拉第充放电过程从原来直流信号的研究(或者较低频区域)推进了能够研究交流电压调制下的高频区域。另外,单个纳米粒子的EIS还可以作为一个新的化学和生物传感平台,用于开发不同类型的传感器。

 

1 (a) 单个AuNRsDFM装置图。(b) 单个AuNRs的成像图和EIS图。

 

   此项研究成果以“Electrochemical impedance spectroscopy of single Au nanorods”为题发表于近期的《Chemical Science》上。论文的第一作者为刘涛,通讯作者为王伟教授。

   本研究得到了国家自然科学基金(21522503215278072132790221705077)和江苏省自然科学基金(BK20150570BK20150013)项目资助。

 

The Chemical Imaging Lab, School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University

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