[论文解读] Micro- and Nanostructured Diamond in Electrochemistry: Fabrication and Application

Fang Gao, Christoph E. Nebel|arXiv (Cornell University)|May 8, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 127被引用 9

一句话总结

本文综述了微米和纳米结构金刚石的制备及其电化学应用，重点讨论了自上而下刻蚀与自下而上生长技术。文章强调了通过增加比表面积提升电化学性能，利用针尖增强反应实现传感，以及通过纳米多孔膜实现分离；其中，模板生长和等离子体刻蚀的关键进展推动了可扩展、无掩模的生产。

ABSTRACT

The fabrication method of diamond nanostructures can be divided into two categories: top-down etching and bottom-growth. The early work on 3D micro-structured diamond dates back to mid-1990s, using chemical vapor infiltration (CVI) techniques. In this technology, carbon or carbide fibers were typically used as the growth template. Almost in parallel, reactive ion etching (RIE) was applied to achieve diamond surface nanostructuring. After that the diamond surface nanostructures, typically vertically aligned diamond nanowires (or nanorods) has been mainly fabricated using top-down plasma etching techniques. In recent year, the templated diamond growth has gained increasing attention due to the wide choice of template, mask-free production, and unlimited surface enlargement. In this chapter, the development and main techniques used in these two approaches will be elaborated. Nevertheless, other less common methods, such as catalytic etching by metal particles, steam activation and selective materials removal will also be discussed. As indicated by the title, this chapter will mainly deal with the application of micro- and nanostructured diamond in electrochemistry. In these applications, the advantage of nanostructured diamond can be divided into three aspects: 1) providing enlarged surface area for charge storage and catalyst deposition; 2) tip-enhanced electrochemical reactions used in sensing applications; 3) diamond membranes with micro- or nanopores can be applied in the electrochemistry separation and purification applications. Examples and explanations on these applications will be given in this chapter.

研究动机与目标

• 综述微米和纳米结构金刚石制备技术在电化学领域的发展与现状。
• 识别在实现可扩展、高比表面积金刚石结构以用于电化学应用方面面临的关键挑战。
• 评估纳米结构金刚石在电化学传感、电荷存储和分离过程中的优势。
• 比较自上而下刻蚀与自下而上生长方法，强调基于模板的生长在可扩展性和灵活性方面的优势。

提出的方法

• 采用反应离子束刻蚀（RIE）进行自上而下制备，以在金刚石表面制造垂直排列的金刚纳米线或纳米棒。
• 采用碳或碳化物纤维作为模板的自下而上模板生长，实现无掩模、可扩展的三维微结构金刚石生产。
• 应用等离子体刻蚀和金属颗粒催化刻蚀，实现受控的纳米结构化。
• 利用蒸汽活化与选择性材料去除，实现另一种纳米结构的形成方法。
• 集成微米和纳米多孔金刚石膜，用于电化学分离与纯化。
• 通过比表面积提升和传感应用中的局部电场效应，评估电化学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在制备用于电化学应用的微米和纳米结构金刚石方面，自上而下与自下而上制备技术有何异同？
• RQ2 纳米结构金刚石在提升电化学灵敏度和表面反应活性方面具有哪些关键优势？
• RQ3 模板生长在实现可扩展、无掩模的结构化金刚石生产方面能达到何种程度？
• RQ4 纳米多孔金刚石膜在电化学分离与纯化过程中发挥何种作用？
• RQ5 纳米结构针尖处的场增强效应在电化学传感中起到何种作用？

主要发现

• 自上而下的RIE技术可精确制备垂直排列的金刚纳米线，显著提升比表面积和电化学活性。
• 采用碳或碳化物纤维作为模板的模板生长技术，可实现可扩展、无掩模的三维微结构金刚石生产，且具有高比表面积。
• 纳米结构金刚石表面因电化学活性比表面积增加，表现出更优的电荷存储能力和催化剂负载能力。
• 纳米结构金刚石针尖处的场增强电化学反应显著提升了电化学传感应用的灵敏度。
• 纳米多孔金刚石膜由于孔径可调且化学稳定性高，显示出在选择性电化学分离与纯化方面的潜力。
• 催化刻蚀与蒸汽活化提供了替代性、较少见的纳米结构形成路径，拓展了制备的灵活性。