Электролит имеет значение: ученые разработали модель перераспределения зарядов в графеновых структурах
Российские ученые разработали модель, которая показывает, как перераспределяются заряды внутри структуры металл / графен в контакте с электролитом. Она поможет предсказывать электрохимические свойства таких гетероструктур, что важно для развития электрокатализа и электрохимических биосенсоров.
Гетероструктуры металл / графен применяются в различных областях электрохимии и нанотехнологий, например в катализаторах для топливных элементов, металл-воздушных батареях, а также аккумуляторах с литиевым анодом. Кроме того, такие структуры используются в газовых сенсорах и биосенсорах для обнаружения патогенов, определения уровня глюкозы, и детектирования ДНК в растворе. Графеновое покрытие создает эффективный защитный барьер, препятствующий коррозии даже таких легко окисляемых металлов, как железо, медь, никель и кобальт. Это позволяет использовать наночастицы таких металлов с графеновой оболочкой в качестве более дешевой и долговечной, но не менее эффективной альтернативы классическим платиновым катализаторам.
Важный фактор, влияющий на кинетику электрохимических процессов, — перераспределение заряда между металлом и графеновыми слоями в гетероструктуре при потенциале протекания реакции. Без понимания того, как свойства металла, число графеновых слоев и потенциал влияют на этот фактор, сложно проектировать катализаторы или сенсоры.
«Основная проблема — отсутствие данных о взаимосвязи между поверхностным зарядом и потенциалом электрода металл / графен относительно электродов сравнения, используемых в экспериментах. Это затрудняет компьютерное моделирование таких систем в условиях, приближенных к экспериментальным. Предыдущие модели не учитывали, что электрод контактирует с внешней средой (в нашем случае — раствором электролита), моделирование выполнялось для структуры „в вакууме”», — пояснил Дмитрий Гордиенко, студент Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ.
В этой работе физики из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института учли влияние потенциала и наличие электролита. Работа опубликована в журнале Journal of Computational Chemistry.
Ученые выполнили компьютерное моделирование трехфазной системы: металл / графен / электролит, максимально точно воссоздавая условия реального эксперимента. Ученые построили виртуальную модель системы: металл (золото или платина) с одним–тремя слоями графена в водном электролите. После этого они рассчитали распределение заряда между слоями в зависимости от приложенного к электроду потенциала, что позволило разработать простую феноменологическую модель. Ученые предложили рассматривать металл, слои графена и электролит как связанные конденсаторы, то есть как элементы электрической цепи, каждый из которых накапливает заряд. Предложенная модель описывает распределение зарядов в слоях системы в зависимости от приложенного потенциала, свойств металла и числа графеновых слоев. Такой подход упрощает анализ и позволяет симулировать поведение системы без необходимости проведения сложных и ресурсоемких квантово-химических расчетов.
«Модель позволяет быстро рассчитывать распределение заряда без применения ресурсоемких вычислительных методов, таких как метод теории функционала электронной плотности (квантово-механические подходы, основанные на численном решении уравнения Шредингера). Раньше такой расчет даже с применением суперкомпьютеров мог занимать несколько дней. А наша модель позволяет получать информацию о распределении заряда за считанные секунды на обычном персональном компьютере», — прокомментировал Виталий Кисленко, научный сотрудник ОИВТ РАН.
Предложенная теоретическая модель — важный шаг на пути к пониманию электрохимических свойств гетероструктур металл / графен. Она позволит проектировать более эффективные электрокатализаторы и биосенсоры. Это исследование способствует развитию «зеленой» энергетики, медицины и электроники, делая приборы дешевле и эффективнее.
«Мы планируем использовать результаты для анализа кинетики широкого круга реакций на поверхности гетероструктур, имеющих прикладное значение. Мы ожидаем, что запланированное исследование внешнесферного электронного переноса позволит предложить катализаторы с улучшенными свойствами для проточных редокс-батарей, а исследование реакции восстановления кислорода позволит оптимизировать катализаторы для водородных топливных элементов», — поделился Сергей Кисленко, доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ и заведующий лабораторией электрохимической энергетики ОИВТ РАН.
Telegram 
Дзен 
VK Команда исследователей из Германии и Турции впервые исследовала ледник на вершине Большого Арарата на высоте более пяти тысяч метров. Две недели в июле 2026 года ученые собирали данные о вечных снегах горы, которые до этого не были тщательно исследованы.
Даже успешная химиотерапия не всегда означает окончательную победу над опухолью: часть раковых клеток переживает лечение, перестает делиться и переходит в состояние клеточного старения. Новое исследование показало, что именно такие клетки могут создавать условия, облегчающие образование метастазов.
В Тюмени у «Газпром нефти» естественным образом сформировался большой научно-исследовательский кластер. В городе расположено более десятка институтов и образовательных центров, филиалы РАН, а в 2024 году на полную мощность заработал исследовательский центр «Геосфера». Корреспондент Naked Science побывала в Тюмени по приглашению «Газпром нефти». Рассказываем об этом опыте в подробностях.
Команда исследователей из Германии и Турции впервые исследовала ледник на вершине Большого Арарата на высоте более пяти тысяч метров. Две недели в июле 2026 года ученые собирали данные о вечных снегах горы, которые до этого не были тщательно исследованы.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Рост средней продолжительности жизни и старение населения формируют новые требования к системе государственного планирования. Для обоснованного распределения ресурсов в сфере здравоохранения, пенсионного обеспечения и социальной поддержки необходимы достоверные данные о возрастной структуре общества. Сегодня для этого применяют специальные математические модели, позволяющие прогнозировать изменения. Проблема в том, что их создавали еще в прошлом веке. Они не учитывают существующие демографические закономерности и улучшение качества современной жизни. Их использование часто ведет к значительным погрешностям в расчетах, что, в свою очередь, делает невозможным своевременное перераспределение бюджетных средств между ключевыми государственными структурами. Ученые Пермского Политеха предложили новую модель для прогнозирования продолжительности жизни, которая работает с точностью 99,7%. Ее можно применять для планирования в сфере здравоохранения, пенсионного обеспечения и социальной поддержки.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Очереди на заправках стали привычным явлением в России, а на фоне информационного вакуума от властей о конкретных показателях производства бензина в июне население вынуждено ориентироваться на слухи. Все это выглядит довольно странно, но есть нюанс: скорее всего, кризис уже начинает выдыхаться. Как именно мы это выяснили?
В позднеантичном Риме императорским указом мужчинам запретили носить длинные волосы. Автор нового исследования пришел к выводу, что введение этого запрета объяснялось необходимостью сохранения римской идентичности в условиях усиливающегося распада империи и нарастающего торжества варваров.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно