Exploring the Complex and Diverse World of Carbon Electrochemistry - Unraveling the Interplay Between Structure-Property Relationships

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-09-20
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
96 + app. 99
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 122/2023
Abstract
Carbonaceous nanomaterials are a versatile group of materials that have gained significant interest in various technological fields, particularly in electroanalytical applications for healthcare. Sensor technologies that rely on electrochemical detection can obtain real-time information from patients, enabling more accurate diagnostics and personalized medical treatments. However, tocreate sensor materials that meet the necessary requirements for sensitivity and specificity, the sensor development must be grounded in a fundamental understanding of how material properties impact electroanalytical performance. Unfortunately, this understanding is generally lacking for carbon nanomaterials. In fact, there is a dearth of systematic assessments of the structural and electrochemical properties of carbon electrodes or assemblies built with carbon nanomaterials. This obstacle presents a significant challenge to the development of reliable carbonaceous electrodes in the near future. In this dissertation, we aim to solve this deadlock by conducting an extensive analysis of the structural, chemical, and electrochemical properties of various carbon allotropes and aim toconnect the observed electrochemical performance to the known physicochemical structure. Our investigation includes the following materials: amorphous carbon (a-C), tetrahedral amorphous carbon (ta-C), glassy carbon (GC), pyrolytic carbon (PyC), carbon nanofibers (CNF), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), and single-walled carbon nanotubes (SWCNT). Materials that contain residual metals catalysts from the growth process, we address the role of these catalysts in relation to the electrocatalytic properties of carbon nanomaterials. Along with the fundamental characterization of these materials, we also focus on SWCNT networks. This crystalline materialis used to demonstrate the impact of structural and chemical changes on its electrochemical performance, especially in the case of biomolecules. The work presented here demonstrates the versatile electrochemical properties exhibited by various carbon allotropes. Noticeable differences are seen in double-layer capacitance, pseudocapacitance, solvent potential windows, and especially, in reaction kinetics with surfacesensitive biomolecules. Even minor physicochemical changes in the same carbon nanomaterialSWCNT, such as the oxidation state of Fe particles, have substantial impact on electrochemical biomolecule detection. Thus, it is important to customize the properties of carbon nanomaterials to suit their intended applications. However, due to the complex nature of the interactions occurring at the electrode surface, it is challenging to determine the exact properties required for specific applications. Nevertheless, based on this study, we argue that the reaction kinetics of carbon nanomaterials can be improved by (i) possessing a porous structure that enables a thin film liquid layer effect, (ii) containing residual metal particles that can catalyze redox reactions, and (iii) having favorable surface chemistry.

Hiilinanomateriaalit ovat monipuolisia materiaaleja, jotka ovat herättäneet merkittävää kiinnostusta eri teknologian aloilla, erityisesti terveydenhuollon diagnostiikassa.Terveydenhuollossa on kasvava tarve menetelmiin, jolla voidaan kerätä reaaliaikaista tietoa potilaasta, mikä mahdollistaa tarkemman diagnostiikan sekä hoidon henkilökohtaistamisen. Tämä on mahdollista toteuttaa hiilimateriaaleista tehdyillä sähkökemiallisilla antureilla. Anturikehityksen tulisi perustua tarkkaan tietoon, miten materiaalin ominaisuudet vaikuttavat sen sähkökemiallisiin ominaisuuksiin, jotta tarvittavat herkkyys ja spesifisyys saavutetaan. Eli materiaalien fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia tulisi tutkia systemaattisesti useilla eri menetelmillä. Valitettavasti näin ei ole hiilinanomateriaalien tapauksessa. Tämä este muodostaa merkittävän haasteen luotettavien hiilielektrodien kehittämisen lähitulevaisuudessa. Tässä väitöskirjassa tutkimme eri hiilimateriaalien fysikaalisia, kemiallisia sekä sähkökemiallisia ominaisuuksia useilla materiaali-karakterisointimenetelmillä. Tavoitteenamme on yhdistää havaitut sähkökemialliset ominaisuudet tunnettuihin fysikokemiallisiin rakenteisiin. Tämä työ sisältää seuraavat materiaalit: amorfinen sekä tetraedrinen amorfinen hiili, lasihiili, pyrolyyttinen hiili, hiilinanokuidut, moniseinämäiset sekä yksiseinämäiset hiilinanoputket. Kolme jälkimmäistä materiaalia sisältää valmistusprosessissa käytettäviä metallikatalyyttejä. Näiden partikkelien vaikutusta hiilinanomateriaalien sähkökatalyyttisiin ominaisuuksiin on myös tarkasteltu tässä työssä. Tämän lisäksi väitöskirjassa keskitytään yksiseinämäsiin hiilinanoputkiverkkoihin. Tällä järjestäytyneellä materiaalilla osoitamme, miten pienet rakenteelliset sekä kemialliset muutokset vaikuttavat sen sähkökemiallisiin ominaisuuksiin, erityisesti kun materiaalia käytetään biomolekyylien havaitsemisessa. Tulokset osoittavat monipuoliset sähkökemialliset ominaisuudet, jotka ilmenevät hiilen eriallotropioissa. Huomattavia eroja havaitaan kaksoiskerroksen sekä pseudokapasitanssin suuruudessa, liuottimen potentiaali-ikkunan leveydessä sekä reaktiokinetiikassa, kun materiaalia käytetään mittaamaan biomolekyylejä. Jopa pienet fysikokemialliset muutokset samassa hiilinanomateriaalissa, kuten rautapartikkelien hapetustila, vaikuttavat merkittävästi biomolekyylien havaitsemiseen. Tämän vuoksi hiilenanomateriaalien ominaisuuksia on tärkeää räätälöidä sovelluskohtaisiksi. On kuitenkin vaikeaa määritellä yleisellä tasolla, mitkä tietyt ominaisuudet ovat toivottavia, sillä vuorovaikutukset analyytin ja elektrodin pinnalla ovat hyvin monimutkaiset. Silti tämän tutkimuksen perusteella väitämme, että hiilimateriaalien suorituskykyä voidaan parantaa, kun materiaali omaa (i) huokoisen rakenteen, joka kasvattaa aineensiirtoa elektrodin pinnalle sekä (ii) jäännösmetallikatalyyttejä ja (iii) pintakemian, jotka katalysoivat sähkökemiallisia reaktioita.
Description
Supervising professor
Laurila, Tomi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Laurila, Tomi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
carbon nanomaterials, electrochemistry, physicochemical characterization, structureproperty relationship, hiilinanomateriaalit, sähkökemia, fysikokemiallinen karakterisointi, rakenne-ominaisuussuhteiden vuorovaikutus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Elli Leppänen, Maedeh Akhoundian, Sami Sainio, Jarkko Etula, Olli Pitkänen, Tomi Laurila. Structure-property relationships in carbon electrochemistry. Carbon, 200, 375-389, August 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209145558
    DOI: 10.1016/j.carbon.2022.08.076 View at publisher
  • [Publication 2]: Elli Leppänen, Jarkko Etula, Peter Engelhardt, Sami Sainio, Hua Jiang, Björn Mikladal, Antti Peltonen, Ilkka Varjos, Tomi Laurila. Rapid industrial scale synthesis of robust carbon nanotube network electrodes for electroanalysis. Journal of Electroanalytical Chemistry, 896, 115255, April 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109159149
    DOI: 10.1016/j.jelechem.2021.115255 View at publisher
  • [Publication 3]: Elli Leppänen, Sami Sainio, Hua Jiang, Björn Mikladal, Ilkka Varjos, Tomi Laurila. Effect of Electrochemical Oxidation on Physicochemical Properties of Fe-containing Single-Walled Carbon Nanotubes. ChemElectroChem, 7, 4136-4143, September 2020.
    DOI: 10.1002/celc.202000878 View at publisher
  • [Publication 4]: Elli Leppänen, Eero Gustafsson, Niklas Wester, Ilkka Varjos, Sami Sainio, Tomi Laurila. Geometrical and chemical effects on the electrochemistry of Single-Wall Carbon Nanotube (SWCNT) network electrodes. Electrochimica Acta, Issue, pages, Submitted October
  • [Publication 5]: Sami Sainio, Elli Leppänen, Elsi Mynttinen, Tommi Palomäki, Niklas Wester, Jarkko Etula, Noora Isoaho, Emilia Peltola, Jessica Koehne, M. Meyyappan, Jari Koskinen, Tomi Laurila. Integrating Carbon Nanomaterials with Metals for Bio-sensing Applications. Molecular Neurobiology, 57, 179-190, August 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076185
    DOI: 10.1007/s12035-019-01767-7 View at publisher
  • [Publication 6]: Elli Leppänen, Antti Peltonen, Jani Seitsonen, Jari Koskinen, Tomi Laurila. Effect of thickness and additional elements on the filtering properties of a thin Nafion layer. Journal of Electroanalytical Chemistry, 843, 12-21, May 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906033356
    DOI: 10.1016/j.jelechem.2019.05.002 View at publisher
Citation