Synthesis of copper nanocone array electrodes and its electrocatalytic properties

Ze względu na swoje szczególne właściwości i mały rozmiar, nanostrukturalne materiały są przedmiotem zainteresowania wielu naukowców na świecie. Materiały w skali nano są coraz częściej wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki i życia codziennego. W ostatnich latach zbadano jednowymiarowe nanostruktury metaliczne (nanodruty, nanorurki, nanopręty) jako potencjalne materiały elektrokatalityczne oferujące duże możliwości poprawy wydajności katalitycznej ze względu na mały rozmiar i dużą powierzchnię czynną. W elektrokatalizie wykorzystuje się nanostruktury metaliczne (np. Ag, Au, Pt, Cu, Pd) czy kompozytowe (p. Cu-Pt-Pd Pt, Au-Pt, Pt-Ni, Pt-Ag, Au-Pd) jako materiały elektrodowe [1]. W pracy opisano syntezę dobrze uporządkowanych nanostruktur miedzi i ich elektrokatalityczne właściwości. Nanostruktury miedzi należą do grupy najważniejszych nanomateriałów metalicznych, cechują się dużą powierzchnią pracującą, która wykazuje dobre właściwości elektrokatalityczne [2, 3]. Do syntezy elektrod pokrytych nanostożkami miedzi wykorzystano proces osadzania miedzi na matrycy Al2O3. Nanopory na podłożu glinowym wytworzono przeprowadzając na przemian procesy anodowania i poszerzenia porów. Każdy etap anodowania przeprowadzono przy napięciu międzyelektrodowym 45 V w 0,3 mol•dm-3 roztworze kwasu szczawiowego, w temperaturze 9 °C. Następnie pory poszerzono przez zanurzenie w 5% roztworze kwasu fosforowego(V) w temperaturze 30 °C. Zastosowanie różnych warunków syntezy (temperatura, stężenie elektrolitu, napięcie, czas) pozwala na sterowanie średnicą i głębokością nanoporów [4]. Dlatego też, w czasie syntezy starannie kontrolowano warunki anodyzacji. Po zakończonym procesie anodyzacji, na próbki napylono cienką warstwa przewodząca Cu wykorzystując napylarkę próżniową. Następnie przystąpiono do elektrochemicznego osadzania w układzie trójelektrodowym. Aby otrzymać wolno stojące nanostożki oddzielono je od matrycy. Proces ten przeprowadzono przez mechaniczne oddzielenie Cu od Al2O3 lub zanurzając płytki w roztworze 5% H3PO4 w temperaturze pokojowej. Do analizy morfologii matrycy Al2O3 i nanostożków Cu wykorzystano skaningowy mikroskop elektronowy (FE-SEM). Geometria nanostożków Cu ściśle odpowiada geometrii stosowanych matryc Al2O3. Elektrokatalityczną aktywność elektrod z nanostrukturami Cu względem redukcji chloroformu i nadtlenku wodoru zbadano z wykorzystaniem woltamperometrii cyklicznej (CV) i chronoamperometrii (CA).

Due to their special properties and small dimensions,nanostructured materials are of interest of the world's scientists. Materials in the nanoscale are increasingly used in many areas of science and everyday life. Recently, one dimensional metallic nanostructures (e.g. nanowires, nanotubes, nanocones, nanorods, and nanodots) have been studied as potential electrocatalyticmaterials. These nanostructuredmaterials can offer great opportunities to improve catalytic performance due to the small geometrical size and large active surface area. As electrode materials, metallic (e.g. Ag, Au, Pt, Cu, Pd), composite (e.g. Cu-Pt Pt-Pd, Au-Pt, Pt-Ni, Pt-Ag, Au-Pd) and alloed(e.g. PtCu, AuCu, PtPd, PtRu, PtCo, NiCu, PdAu, PtPd, PdAg, PtAg,) nanostructures were used in electrocatalysis [1]. In this work we describe the synthesis of well-ordered copper nanostructures and their electrocatalytic properties. Copper nanostructures belong to the group of the most important metallic nanomaterials,and they are characterized by the large working surface area that exhibitsgood electrocatalytic properties [2,3]. The copper nanocone array electrodes were successfully synthesized by metal sputtering on the Al2O3/Al substrate with conical nanopores followed by electrodeposition of Cu. To fabricate the conical pores on the aluminum substrate, alternating processes of anodization and pore widening were performed. Each anodization step was conducted at 45 V in a 0.3 M oxalic acid solution at 9 °C. After that, the pores were widened by immersion in a 5 vol.% phosphoric acid solution at 30 °C. The diameter and depth of nanopores can be controlled by synthesis using a variety of operating conditions (e. g. temperature, electrolyte concentration, anodization voltage, and time) [4]. Therefore, during the synthesis the anodizing conditions were carefully controlled. When the anodization process was completed, a thin conductive Cu layer was sputter deposited on the samples using a vacuum Sputter Coater (Emitech K575X). Then, the DC electrodeposition of copper nanocones was performed in a three-electrode cell with a Pt wire and plate as a reference and a counter enectrode, respectively. After the electrochemical deposition, free standing Cu nanocone arrays were obtained by chemical etching of Al2O3 templates in dilute phosphoric acid. The geometry of copper nanocones corresponds closely with the geometry of used Al2O3 templates. The electrocatalytic activity of the copper nanocone array electrodes for a hydrogen peroxide and chloroform reduction was investigated using cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry (CA).