Дефекты в графене увеличили его каталитическую активность

Ученые из 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 переноса электрона на определенный класс реагентов в растворе. Это свойство может очень пригодиться при создании чувствительных электрохимических сенсоров и электрокатализаторов. 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.

В новой работе ученые теоретически исследовали кинетику переноса электрона на поверхности графена, содержащего различные дефекты: одиночная и двойная вакансии, дефект Стоуна-Уэльса, 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. 

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Facebook, Twitter, Telegram.