边缘电化学

新的研究表明，石墨烯边缘可用作电化学的纳米电极。来自五个国家的研究人员携手在纳米结构中生产突出的石墨烯边缘，并在边缘进行循环伏安法反应。该方法允许以亚秒级的时间分辨率检测低至微摩尔浓度的氧化还原物质。该研究开辟了一条在具有多个电极并联的芯片上的电化学途径，以及使用少量样品溶液，以及研究没有电解质的电子转移等新效应。

图 1：（左）器件的几何形状。金触点附着在夹在两层hBN之间的石墨烯上，石墨烯边缘突出。（右）hBN两条边缘之间石墨烯边缘的伪彩色SEM图像，以黄色显示。图片取自 Plačkić 等人， Small 2023， 2306361，许可 CC BY 4.0 DEED.

为了制造这种器件，研究人员在两层六方氮化硼（hBN）之间夹了一层石墨烯。hBN充当绝缘体，防止石墨烯与环境中的化学物质发生反应。然而，石墨烯的边缘可以在器件的边缘接触，如图1所示。然后，科学家们使用暴露的边缘使用几种氧化还原探针研究电子转移，包括二茂铁甲醇、六胺钌、亚甲蓝、多巴胺和亚铁氰化物。

图2：浓度为0.1毫摩尔时亚甲基蓝和六氨基钌还原的CV曲线。

在原始的单个石墨烯边缘研究电化学有明显的好处。从几何学的角度来看，电极的小尺寸可以提高质量传输能力。这对于研究快速电子转移动力学（通常> 1 cm/s）至关重要，正如前面用单碳纳米管电极所证明的那样。此外，与基平面相比，边缘表现出独特的电子结构，导致电化学活性和催化作用的预期增强。石墨烯边缘充当一维系统，其功能类似于纳米带电极。虽然微/纳米带电极通常使用金或铂等金属制造，但利用碳作为纳米电极提供了探索特定氧化还原活性物质的机会，例如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NADH），已知在碳表面上表现出比金属更高的电子转移速率。石墨烯的基平面可以作为重要的集流体，用于监测边缘的响应。在理想情况下，沿边缘的每个原子处的氧化还原电流可以同时由基平面直接收集，而与结构的其余部分无关。

在石墨烯边缘实现一维电化学是一种新颖的科学现象，在电化学反应的基础研究中得到了应用，并在微芯片上实现了小体积反应的实际应用。