Electrochemical investigation of nanoscale phenomena in rGO-based electrodes

Abstract

Els dispositius electroquímics basats en grafé estan sent investigats per al desenvolupament de teràpies per a malalties neurològiques. En les últimes dècades, s’ha dedicat un gran esforç a explorar nous materials que substituïsquen els tradicionals elèctrodes metàl·lics a causa de les seues diferents limitacions en quan a cost, rendiment electroquímic, i durabilitat. Les investigacions recents s’estan enfocant en l’estudi de una nova generació de materials nanoestructurats a causa de les seues excel·lents propietats fisicoquímiques. L’òxid de grafé reduït (rGO) nanoporos s’està investigant àmpliament a causa del seu bon rendiment electroquímic, la seua biocompatibilitat i la seua estabilitat per a l’estimulació i el registre neuronal. El rendiment electroquímic dels elèctrodes nanoporosos basats en rGO està dominat principalment per la capacitat de la doble capa interfacial. A causa de l’estructura nanoporosa del rGO, els processos de difusió exerceixen un paper crucial; en conseqüència, resulta complicat accedir a tota la superfície electroquímica de l’elèctrode, la qual cosa pot limitar la seua capacitat d’injecció de càrrega. Per a abordar este repte, és possible implementar diverses metodologies que optimitzen la difusió i permeten aprofitar plenament la superfície electroquímica del rGO. El rendiment electroquímic dels elèctrodes nanoporosos basats en rGO està dominat principalment per la capacitat de la doble capa interfacial. A causa de l’estructura nanoporosa del rGO, els processos de difusió exerceixen un paper crucial; en conseqüència, resulta complicat accedir a tota la superfície electroquímica de l’elèctrode, la qual cosa pot limitar la seua capacitat d’injecció de càrrega. Per a abordar este repte, és possible implementar diverses metodologies que optimitzen la difusió i permeten aprofitar plenament la superfície electroquímica del rGO. L’estructura nanoporosa dels elèctrodes basats en rGO està significativament influenciada tant pel material inicial de GO com pel mètode de fabricació emprat. Aquesta tesis s’enfoca específicament en analitzar com les diferents dimensions laterals de les nano-làmines de GO afecten la morfologia, les propietats fisicoquímiques i el rendiment electroquímic dels elèctrodes finals basats en rGO. Les diferències identificades en la capacitat i la impedància dels elèctrodes s’analitzen en funció de la seua estructura interna i la seua influència en els processos de difusió. Els resultats obtinguts demostren que el rendiment dels elèctrodes nanoporosos basats en rGO pot ser optimitzat mitjançant un control precís del material de partida, GO. En resum, esta tesi aporta una comprensió fonamental del comportament dels elèctrodes nanoporosos basats en rGO, al mateix temps que proporciona directrius per al seu disseny i optimització en aplicacions d’interfícies neuronals. A més, el coneixement generat pot estendre’s a altres materials nanoporosos i adaptar-se a una àmplia varietat d’aplicacions.

Los dispositivos electroquímicos basados en grafeno están siendo probados para el desarrollo de nuevos tratamientos médicos para enfermedades neurológicas. En las últimas dos décadas, se han dedicado grandes esfuerzos en el estudio de nuevos materiales que sustituyan a los electrodos tradicionales basados en metales, debido a sus limitaciones en cuanto a coste, rendimiento electroquímico y estabilidad. Una nueva generación de materiales nanoestructurados están siendo investigados, debido a sus destacables propiedades fisicoquímicas. En particular, el óxido de grafeno reducido (rGO) nanoporoso es objeto de extensivas investigaciones debido a sus excepcionales propiedades electroquímicas, biocompatibilidad y estabilidad para estimulación y registro neuronal. El rendimiento electroquímico de los electrodos nanoporosos basados en rGO está dominado principalmente por la capacitancia de la doble capa interfacial. Debido a la estructura nanoporosa del rGO, los procesos de difusión desempeñan un papel crucial; en consecuencia, resulta complicado acceder a toda la superficie electroquímica del electrodo, lo que puede limitar su capacidad de inyección de carga. Para abordar este reto, es posible implementar diversas metodologías que optimicen la difusión y permitan aprovechar plenamente la superficie electroquímica del rGO. En esta tesis, se ha explorado una metodología de activación electroquímica para aumentar la capacitancia de los electrodos de rGO, disminuyendo la impedancia de los electrodos al aumentar la difusión a través de los nanoporos. Se han empleado nuevas técnicas electroquímicas y espectroscópicas in-situ/operando para estudiar los mecanismos que impulsan la mejora del rendimiento electroquímico, así como estudiar el papel de los nanoporos y los espacios nanoconfinados, de la adsorción/desorción iónica y de los grupos funcionales en los procesos dinámicos de los electrodos. La estructura nanoporosa de los electrodos basados en rGO está significativamente influenciada tanto por el material inicial de GO como por el método de fabricación empleado. Esta tesis se enfoca específicamente en analizar cómo las diferentes dimensiones laterales de las nano-láminas de GO afectan la morfología, las propiedades fisicoquímicas y el rendimiento electroquímico de los electrodos finales basados en rGO. Las diferencias identificadas en la capacitancia y la impedancia de los electrodos se analizan en función de su estructura interna y su influencia en los procesos de difusión. Los resultados obtenidos demuestran que el rendimiento de los electrodos nanoporosos basados en rGO puede ser optimizado mediante un control preciso del material de partida, GO. En resumen, esta tesis aporta una comprensión fundamental del comportamiento de los electrodos nanoporosos basados en rGO, al mismo tiempo que proporciona directrices para su diseño y optimización en aplicaciones de interfaces neuronales. Además, el conocimiento generado puede extenderse a otros materiales nanoporosos y adaptarse a una amplia variedad de aplicaciones.

Graphene-based electrochemical devices are being tested in the development of medical therapies for neurological disorders. During the last two decades, important efforts have been dedicated to explore new materials that could substitute the traditional metal-based electrodes, given their limitations in terms of cost, electrochemical performance, and long term stability. Current research is focused on a new generation of nanostructured materials that present outstanding physicochemical properties. Nanoporous reduced graphene oxide (rGO) is extensively investigated due to its good electrochemical performance, biocompatibility and stability for neuronal stimulation and recording. The electrochemical performance of nanoporous rGO-based electrodes is mainly governed by the interfacial double-layer capacitance. As a consequence of the nanoporous structure of rGO, diffusion processes are very relevant; thus, the whole electrochemical surface area of the electrode is difficult to access and the charge injection capacity of this material can be limited. To address this issue, different methodologies can be applied to facilitate diffusion and to utilize the entire rGO electrochemical surface area. In this Thesis, I have explored an electrochemical activation methodology to boost the capacitance of rGO electrodes, decreasing the electrode impedance, by increasing the diffusion through the nanopores. Novel in-situ/operando electrochemical and spectroscopic techniques are employed to study the mechanisms that drives the enhancement of the electrochemical performance, also the role of the nanopores and nanoconfined spaces, of ionic adsorption/desorption, and of the functional groups on the electrode dynamics. The nanoporous structure of rGO-based electrodes is influenced by the starting GO material and the fabrication method. In this Thesis, in particular, I focus on the impact of the lateral dimension of the starting GO nanosheets on the morphology, physicochemical properties, and electrochemical performance of the final rGO-based electrodes. The observed differences in the capacitance and the impedance of the electrodes are discussed in terms of internal structure and the impact of diffusion processes. It is demonstrated that the performance of nanoporous rGO-based electrodes can be optimized by controlling the GO material. In summary, this Thesis contributes to a fundamental understanding of the operation of nanoporous rGO-based electrodes, while offering guidelines for the engineering of these electrodes for neural interface applications. The knowledge gained during this Thesis, yet can also be extended to other nanoporous materials, and for different applications.