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Influence of Geometry on Thin Layer and Diffusion Processes at Carbon Electrodes

电极 扩散 循环伏安法 薄膜 扩散层 材料科学 碳纳米管 图层(电子) 电化学 分析化学(期刊) 化学 纳米技术 物理化学 有机化学 热力学 物理
作者
Qun Cao,Zijun Shao,Dale K. Hensley,Nickolay V. Lavrik,B. Jill Venton
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:37 (8): 2667-2676 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.0c03315
摘要

The geometric structure of carbon electrodes affects their electrochemical behavior, and large-scale surface roughness leads to thin layer electrochemistry when analyte is trapped in pores. However, the current response is always a mixture of both thin layer and diffusion processes. Here, we systematically explore the effects of thin layer electrochemistry and diffusion at carbon fiber (CF), carbon nanospike (CNS), and carbon nanotube yarn (CNTY) electrodes. The cyclic voltammetry (CV) response to the surface-insensitive redox couple Ru(NH3)63+/2+ is tested, so the geometric structure is the only factor. At CFs, the reaction is diffusion-controlled because the surface is smooth. CNTY electrodes have gaps between nanotubes that are about 10 μm deep, comparable with the diffusion layer thickness. CNTY electrodes show clear thin layer behavior due to trapping effects, with more symmetrical peaks and ΔEp closer to zero. CNS electrodes have submicrometer scale roughness, so their CV shape is mostly due to diffusion, not thin layer effects. However, even the 10% contribution of thin layer behavior reduces the peak separation by 30 mV, indicating ΔEp is influenced not only by electron transfer kinetics but also by surface geometry. A new simulation model is developed to quantitate the thin layer and diffusion contributions that explains the CV shape and peak separation for CNS and CNTY electrodes, providing insight on the impact of scan rate and surface structure size. Thus, this study provides key understanding of thin layer and diffusion processes at different surface structures and will enable rational design of electrodes with thin layer electrochemistry.

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