The role of band structure in electron transfer kinetics at low dimensional carbons

Podobne dokumenty
Podstawy elektrochemii

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Woltamperometria Cykliczna instrukcja do ćwiczenia mgr inż. Marta Kasprzyk

SPM Scanning Probe Microscopy Mikroskopia skanującej sondy STM Scanning Tunneling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowa AFM Atomic Force

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

cyklicznej woltamperometrii

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS. (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Oddziaływanie grafenu z metalami

E dec. Obwód zastępczy. Napięcie rozkładowe

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Grafen materiał XXI wieku!?

Nanostruktury i nanotechnologie

Mody sprzężone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Rozszczepienie poziomów atomowych

Mikroskopia polowa. Efekt tunelowy Historia odkryć Uwagi o tunelowaniu Zastosowane rozwiązania. Bolesław AUGUSTYNIAK

Ćwiczenie 2: Elektrochemiczny pomiar szybkości korozji metali. Wpływ inhibitorów korozji

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Wpływ defektów punktowych i liniowych na własności węglika krzemu SiC

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą. Powierzchnia jak ją zdefiniować?

wykład 6 elektorochemia

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Metody Badań Składu Chemicznego

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Transport elektronów w biomolekułach


WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Katedra Chemii Analitycznej Metody elektroanalityczne. Ćwiczenie nr 5 WOLTAMPEROMETRIA CYKLICZNA

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Katedra Inżynierii Materiałowej

Podstawowe pojęcia 1

Ć W I C Z E N I E 5. Kinetyka cementacji metali

Seminarium 4 Obliczenia z wykorzystaniem przekształcania wzorów fizykochemicznych

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

Elektrochemiczne osadzanie antykorozyjnych powłok stopowych na bazie cynku i cyny z kąpieli cytrynianowych

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Zjawisko termoelektryczne

10. OGNIWA GALWANICZNE

10. OGNIWA GALWANICZNE

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Metody badań składu chemicznego

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

Materiały używane w elektronice

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Wymagania edukacyjne z fizyki dla I, II i III klasy Gimnazjum

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Organiczne ogniwa słonecznes. Ogniwa półprzewodnikowe. p przewodnikowe zasada ania. Charakterystyki fotoogniwa

Ćw. 2 Miareczkowanie potencjometryczne

Operacje na spinie pojedynczego elektronu w zastosowaniu do budowy bramek logicznych komputera kwantowego

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Badania elektrochemiczne. Analiza krzywych potencjodynamicznych.

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Struktura pasmowa ciał stałych

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Problemy elektrochemii w inżynierii materiałowej

Fizyka silnie skorelowanych elektronów na przykładzie międzymetalicznych związków ceru

Współczesna fizyka ciała stałego

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Przejścia promieniste

Korozja kontaktowa depolaryzacja tlenowa

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Przyrządy półprzewodnikowe

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Wstęp do astrofizyki I

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

Podstawy elektrochemii i korozji. Ćwiczenie 6

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

ĆWICZENIE 16 Potencjały równowagowe elektrod siła elektromotoryczna ogniw.

Absorpcja związana z defektami kryształu

PRACOWNIA CHEMII. Reakcje fotochemiczne (Fiz3)

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Wykład 12 V = 4 km/s E 0 =.08 e V e = = 1 Å

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Grafen materiał XXI wieku!?

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

Elektryczne własności ciał stałych

Własności elektronowe amorficznych stopów Si/Me:H w pobliżu przejścia izolator-metal

Właściwości materii. Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka. 18 listopada 2014 Biophysics 1

Transkrypt:

The role of band structure in electron transfer kinetics at low dimensional carbons Paweł Szroeder Instytut Fizyki, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, ul. Grudziądzka 5/7, 87-100 Toruń, Poland

Reakcja przeniesienia elektronu Elektrony przemieszczają się pomiędzy jonami aktywnymi w roztworze oraz elektrodą. υ Ox = k [Ox], υ Red = k [Red], Szybkość reakcji υ określa liczbę produktów reakcji powstających w jednostce czasu przez powierzchnię elektrody [mol cm -2 s -1 ]. [Ox] i [Re] stanowi koncentrację formy utlenionej bądź zredukowanej [mol cm -3 ]. Wymiar stałej szybkości przeniesienia elektronu - cm s -1. 2

Model Gerischera Poziomy energetyczne jonów w roztworze traktuje się w taki sam sposób, jak stany elektronowe elektrody. RozwaŜa się wpływ medium polarnego. Potencjał elektrochemiczny elektronów obsiadających poziomy energetyczne w roztworze jest równowaŝny poziomowi Fermiego pary oksydacyjno-redukcyjnej ε F,redox w roztworze. 3

Rozkład stanów elektronowych roztoru: Model Gerischera W W ox red ( ε ) = ( ε ) = ( ε ε λ) 1 F, redox + exp 4kTλ 4kTλ 1 exp 4kTλ ( ε ε λ) F, redox 4kTλ 2 2,, Stała szybkości przeniesienia elektronu k z elektrody do roztworu: ~ f( ε) ρ ( ε) W ( ε) dε, ET DOS Ox k ET z roztworu do elektrody: ( 1 f ( ε )) ρ ( ε ) W ( ε ) d. ~ DOS red ε 4

Gęstości stanów elektrod 5

Gęstości stanów nanorurki domieszkowane Adapted from: R. Czerw et al., Nano Lett. 1(9): 2001: 457-460 6

Model Gerischera nanorurki z defektami k ET ~ f ( ε ) ρ ( ε ) W ( ε ) dε, DOS red 6 6 4 4 Energy [ev] 2 0-2 W ox W red Energy [ev] 2 0-2 W ox W red -4-4 -6 DOS D (E) -6 DOS D (E) Stany defektowe indukowane przez nieporządek (defekty krawędziowe, punktowe, stany domieszkowe) ulokowane są w pobliŝu poziomu Fermiego. Dlatego procesy przeniesienia elektronu są bardziej efektywne na elektrodach uzyskanych z węgli nieskowymiarowych z nieporządkiem strukturalnym. 7

Woltametria cykliczna HeksacyjanidoŜelazian potasu jako sonda elektrochemiczna Elektroda pracująca węgle niskowymiarowe Elektroda pomocnicza (zliczająca) Pt Elektroda odniesienia Ag/AgCl (3 mol KCl) 8

Woltametria cykliczna Current 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2 E -0.2 0.0 0.2 E [V] ψ = 5 ψ = 0.1 ψ = 0.02 0 0.01 0.1 1 10 ψ E zaleŝy od bezwymiarowego parametru kinetycznego ψ, który moŝna przekonwertować do stałej szbkości przeniesienia elektronu k ET za pomocą wzoru 2 2 DOx RTψ ket =, D Red πnfdoxv gdzie D ox i D red są współczynnikami dyfuzji formy zredukowanej i utlenionej. E [mv] 400 300 200 100 irreversible 59 mv quasi-reversible R. S. Nicholson, and I. Shain, Anal. Chem. 36 (4); 1964; 706 reversible system 9

Kinetyka transferu elektronów Electrode Graphite Anodized graphite Epitaxial graphene Anodized epitaxial graphene SWNT (bucky-paper) Pristine CNT carpet N-CNT carpet Platinium Glassy carbon ET rate constant [10-4 cm s -1 ] Non-active 6 Non-active 1 0.03 110 440 230 120 10

Próbki HOPG Grafen epitaksjalny na podłoŝu SiC Pristine-CNTs N-CNTs SWCNTs 11

Spektroskopia ramanowska D G laser excitation at 488 nm (2.54 ev) G' graphite exfoliated graphene epitaxial graphene SWNTs pristine CNTs P-CNTs N-CNTs 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 Raman schift [cm -1 ] 12

Względne natęŝenia modów D, G and G LD carbon Graphite Exfoliated graphene Anodized epitaxial graphene SWNT (bucky-paper) Pristine CNT carpet P-CNT carpet N-CNT carpet I D /I G 0 0 2.1 0.25 1.49 1.53 1.12 I G /I G 1.8 4.9 2.8 0.67 0.125 0.082 0.70 13

Defekty model Lucchese a I D /I G 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 obszar aktywny nieporządek 0 5 10 15 20 25 30 L D [nm] L D średnia odległość pomiędzy defektami. Dla L D < 3.5 nm zachodzą procesy amorfizacji struktur sp 2. L D M.M. Lucchese et al.., Carbon 48 (5); 2010; 1592-1597 14

Defekty model Lucchese a I D /I G 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 Lucchese model N-CNTs P-CNTs pristine CNTs SWNTs epitaxial graphene 0 5 10 15 20 25 30 L D [nm] 15

Defekty vs. stała transferu elektronów k ET Low dim. carbons L [nm] k ET [ 10-4 cm s -1 ] SWNT (bucky-paper) 20.1 0.03 Anodized epitaxial graphene 5.97 1 Pristine CNT carpet 1.31 110 N-CNT carpet 1.07 440 500 Powierzchniowa gęstość defektów: N sur ~ L -2 Stała szybkości przeniesienia elektronów: 3.42 k ET ~ N sur k [ 10-4 cm s -1 ] 400 300 200 100 y=ax b a = 699.42529 ± 3 b = 3.42 ± 0.02 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 16 N sur [nm -2 ]

Wnioski Wpływ struktury pasmowej węgli niskowymiarowych na kinetykę heterogenicznego transferu elektronów jest dobrze opisywany w modelu Gerischera-Marcusa. Główną rolę w procesach przeniesienia elektronów grają stany defektowe zlokalizowane w pobliŝu poziomu Fermiego. Gęstości defektów w rozwaŝanych materiałach (grafen, nanorurki) mogą być charakteryzowane za pomocą spoektroskopii ramanowskiej. Stała szybkości transferu elektronów jest proporcjonalna do k ET ~ N 3.42. 17

18