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 Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
Во времена Екатерины II один из немецких колонистов в России мутировал, из-за чего все его потомки получали раннюю болезнь Альцгеймера. Теперь среди них появился первый, кого она не тронула, — по мнению ученых, благодаря жаре, которой он должен был подвергаться на работе.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
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