ナノ電気化学

ナノ電気化学は、ナノメートルサイズ領域における材料の電気的および電気化学的特性を研究する電気化学の分野です。ナノ電気化学は、さまざまなセンサーや、非常に低濃度の分子を検出するためのデバイスの製造において重要な役割を果たします。

ナノ電気化学には、電子移動と物質輸送という 2 つの輸送メカニズムが不可欠です。理論モデルを定式化することで、電気化学反応に関与するさまざまな種の役割を理解することができます。

反応物とナノ電極間の電子移動は、マーカス理論に基づくさまざまな理論の組み合わせによって説明できます。

質量輸送、すなわち電解質バルクからナノ電極への反応分子の拡散は、電極/電解質界面での二重電気層の形成によって影響を受ける。ナノスケールでは、シュテルン層と拡散層の重なりを考慮した動的二重電気層を理論化する必要がある。 [ ^1]

関与するメカニズムの知識により、密度汎関数理論と電子移動理論、動的二重電気層を組み合わせた計算モデルを構築することができます。^[2] 分子モデリングの分野では、正確なモデルにより、反応物、電解質、電極の変化などのシステムの挙動を予測できます。

表面の役割は、反応に強く依存します。実際、1 つのサイトが特定の反応を触媒し、他の反応を阻害することがあります。TSKモデル
によると、ナノ結晶の表面原子は、テラス、ステップ、またはキンクの位置を占めることができます。各サイトは、反応物を吸着し、表面に沿って移動させる傾向が異なります。一般に、配位数が低いサイト (ステップとキンク) は、自由エネルギーが高いため、反応性が高くなります。ただし、エネルギーが高いサイトは熱力学的に安定しにくく、ナノ結晶は平衡形状に変化する傾向があります。

ナノ粒子合成の進歩により、表面科学に単結晶アプローチを採用することが可能となり、特定の表面の効果をより正確に研究できるようになりました。最も一般的な電気化学反応の反応速度と選択性に対する表面効果を定義するために、(100)、(110)、または(111)面を反応物を含む溶液にさらすナノ電極に関する研究が行われてきました。^[3]

ナノ電極は、金属または半導体材料で作られた、典型的な寸法が1～100nmの小さな電極です。さまざまな製造技術を利用して、さまざまな形状のナノ電極が開発されています。最も研究されているのは、ナノバンド、ディスク、半球、ナノポア形状、およびさまざまな形状のカーボンナノ構造です。^{[4] [5]}

製造された電極それぞれを特性評価する必要があります。サイズと形状によってその動作が決まります。最もよく使用される特性評価技術は次のとおりです。^{[4] [6]}

• 電子顕微鏡
• 定常ボルタンメトリー
• 原子間力顕微鏡（AFM）
• 走査型電気化学顕微鏡（SECM）

ナノ電極と電極を区別する主な特性は2つあります。RC定数が小さいことと、質量移動が速いことです。前者は抵抗が低いため高抵抗溶液での測定が可能で、後者は放射状拡散によりボルタンメトリー応答がはるかに速くなります。これらの特性やその他の特性により、ナノ電極はさまざまな用途に使用されています。^{[1] [4]}

• 高速反応の速度論の研究
• 電気化学反応
• 細胞や単一分子などの小さな体積を研究する
• 走査型電気化学顕微鏡（SECM）で高解像度画像を取得するためのプローブとして

ナノ電極やナノ電極アレイを使用する主な利点としては、質量輸送の向上、静電容量の低減、より小さな体積での動作が可能になること、全体的なデバイスフットプリントが小さくなることなどが挙げられます。^[7]

電極で発生する電流は、電極の幾何学的面積に比例します。単一のナノ電極を使用することの欠点は、生成される電流出力が小さいため、計測機器に負担がかかり、記録された測定値の信頼性が低下することです。これを克服する方法の 1 つは、ナノ電極のアレイを使用することです。アレイは、アレイ内の電極の数に比例した電流を生成します。この方法は、電気分析で広く使用されています。ナノ電極のアレイを注意深く正確に製造することにより、電気化学計測機器は、さまざまな電気分析技術の実装を可能にする高感度測定に対してより信頼性が高くなります。^[8]

配置には主に 2 つのタイプがあります。ナノ電極が規則的に配置されているナノ電極アレイ (NEA) と、個々のナノ電極がランダムに分散されているナノ電極アンサンブル (NEE) です。

• 原子層および多層構造の電気化学的特性評価