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 Качественное дошкольное образование закладывает прочный фундамент успехов на долгие годы вперёд — вплоть до выпускного класса. Двадцатилетнее исследование показало, что дети, которые в возрасте четырех лет перед поступлением в школу посещали бесплатные государственные подготовительные классы, учатся существенно лучше сверстников, посещавших обычные детские сады с упором на простой присмотр или оставшихся на домашнем воспитании.
Ученые из МФТИ и Объединенного института ядерных исследований завершили комплексный анализ поведения констант связи Стандартной модели на высоких энергиях. Используя ренормализационную группу, авторы оценили вероятность того, что наш вакуум — физическое состояние, в котором существует все вещество во Вселенной,— рано или поздно «провалится» в более глубокое энергетическое состояние.
Международная исследовательская группа с участием профессора Центра инженерных систем и наук Сколтеха Александра Корсунского впервые в мире провела прямое измерение механических напряжений в зоне контакта между алмазным индентором и сложным наноструктурированным покрытием с разрешением менее 80 нанометров. Используя синхротронную рентгеновскую нанодифракцию на синхротроне ESRF в Гренобле, ученые показали, что многослойное покрытие из керамического ZrN с прослойками аморфного сплава ZrCu на 30% эффективнее рассеивает упругую энергию по сравнению с монолитным аналогом, предотвращая распространение трещин. Результаты дают инженерам прямые количественные критерии для проектирования защитных покрытий нового поколения.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Эксперимент физиков из ЦЕРН позволил рассмотреть поведение глюонов внутри атомных ядер с беспрецедентной точностью. При сверхвысоких плотностях эти элементарные частицы переставали размножаться и начинали объединяться. Это помогло найти подтверждение теории «глюонного насыщения», а не принятого «ядерного затенения» для определенного диапазона сверхвысоких энергий.
Со стороны профессия летчика-испытателя часто выглядит как череда опасных полетов, требующих бесстрашия и способности мгновенно импровизировать. В действительности ее основу составляют методика, дисциплина, технические знания и умение честно рассказать о каждой особенности машины. Его задача — не просто поднять самолет в воздух, но и понять, насколько точно он выполняет команды, предсказуемо ли ведет себя на сложных режимах и какие изменения необходимо внести в конструкцию или систему управления.
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.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
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?
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