Выяснено, что дефектный графен имеет большую электрокаталитическую активность — Naked Science
29.04.2020
ФизТех

Выяснено, что дефектный графен имеет большую электрокаталитическую активность

4.5

Ученые из лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ, Сколтеха и Объединенного института высоких температур РАН теоретически исследовали влияние дефектов в графене на перенос электронов на границе фаз графен-раствор. Расчеты показывают, что создание дефектов способно увеличить скорость переноса заряда на порядок. Причем варьируя тип дефекта можно селективно катализировать перенос электрона на определенный класс реагентов в растворе. Это свойство может очень пригодиться при создании чувствительных электрохимических сенсоров и электрокатализаторов.

Дефектный графен / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Результаты опубликованы в журнале Electrochimica Acta. Углерод широко используется в электрохимии. Графен, как новый тип углеродных электродов, имеет большой потенциал для применения в биосенсорах, солнечных элементах и химических источниках токах. Например, химически модифицированный графен может использоваться в качестве дешевого и эффективного аналога платиновых или иридиевых катализаторов в топливных элементах и металл-воздушных батареях.

Электрохимические свойства графена сильно зависят от его химической структуры и электронных свойств, которые оказывают существенное влияние на кинетику окислительно-восстановительных процессов. Интерес к исследованию кинетики гетерогенного переноса электрона на поверхности графена в последнее время подогрет новыми экспериментальными данными, показывающими возможность ускорения переноса на структурных дефектах, таких, как вакансии, графеновые края, примесные гетероатомы, кислородсодержащие функциональные группы.

Сравнение электронных свойств бездефектного графена (a, f) и графена, содержащего вакансию (c, h). Возникновение локальных электронных состояний вблизи уровня ферми во втором случае катализирует неадиабатический гетерогенный перенос электрона / ©Пресс-служба МФТИ

В данной работе ученые теоретически исследовали кинетику переноса электрона на поверхности графена, содержащего различные дефекты: одиночная и двойная вакансии, дефект Стоуна-Уэйльса, примесный атом азота, -O- и -OH группы. Все эти изменения значительно влияли на константу скорости переноса. Наиболее выраженный эффект наблюдался для одиночной вакансии, для которой было предсказано ускорение переноса на порядок относительно бездефектного графена.

Такое увеличение должно наблюдаться только для окислительно-восстановительных процессов со стандартным потенциалом от -0,2 В до 0,3 В (относительно стандартного водородного электрода). Расчет также показали, что из-за низкой квантовой емкости графенового листа кинетикой переноса электрона можно управлять, изменяя емкость двойного слоя.

«В наших расчетах мы попытались установить взаимосвязь между кинетикой гетерогенного переноса электрона и изменениями электронных свойств графена, вызванными дефектами. Оказалось, что привнесение дефектов в идеальный графеновый лист может приводить к росту плотности электронных состояний вблизи уровня ферми и катализировать перенос электрона.

Скорость передачи электронов в недефектном и дефектном графене / ©www.sciencedirect.com

При этом различные дефекты по-разному меняют плотность электронных состояний в различных энергетических областях, что создает предпосылки для реализации селективного электрохимического катализа.

Мы полагаем, что эти эффекты могут быть полезны для применения в электрохимических сенсорах, а развиваемый нами теоретический аппарат – для направленного химического дизайна новых материалов для электрохимических приложений», — дополняет Сергей Кисленко, доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
30 июля
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

4 часа назад
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

30 июля
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: