缺陷石墨烯具有高电催化活性

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瑕疵石墨烯具有高电催化活性

莫斯科物理技术学院,Skoltech以及俄罗斯科学院高温联合研究所的科学家们进行了理论研究,研究了石墨烯中的缺陷石墨烯-溶液界面电子转移的影响。他们的计算表明,缺陷可以使电荷转移速率提高一个数量级。此外,通过改变缺陷的类型,可以选择性地催化电子转移到溶液中某一类试剂。这对于创建高效的电化学传感器和电催化剂非常有用。研究结果发表在《 电子化学学报》上。

碳广泛用于电化学。一种由石墨烯制成的新型碳基电极,对于生物传感器,光伏和电化学电池具有巨大的潜力。例如,化学改性的石墨烯可用作燃料电池和金属-空气电池中铂或铱催化剂的廉价有效的类似物。

石墨烯的电化学特性在很大程度上取决于其化学结构和电子性质,这对氧化还原过程的动力学有重要影响。最近,新的实验数据激发了人们对研究石墨烯表面异质电子转移动力学的兴趣,这些实验数据显示了在结构缺陷(如空位,石墨烯边缘,杂质杂原子和含氧官能团)处加速转移的可能性。

由三位俄罗斯科学家合着的最新论文对具有各种缺陷的石墨烯表面上的电子转移动力学进行了理论研究,这些缺陷包括单空位和双空位,Stone-Wales缺陷,氮杂质以及环氧基和羟基。所有这些变化显着影响了传输速率常数。最明显的影响与单个空位有关:相对于无缺陷的石墨烯,传输速率预计将增长一个数量级。仅在相对于标准氢电极具有-0.2伏至0.3伏的标准电势的氧化还原过程中,才能观察到这种增加。计算还表明,由于石墨烯片的低量子电容,可以通过改变双层电容来控制电子转移动力学。

“在我们的计算中,我们试图建立异质电子转移的动力学与缺陷引起的石墨烯电子性质变化之间的关系。事实证明,将缺陷引入原始石墨烯片中可以导致密度增加。费米能级附近的电子态并催化电子转移,” MIPT高温过程物理系的谢尔盖·基斯连科副教授说。

“此外,根据缺陷的种类,它会以不同的方式影响跨各个能量区域的电子态密度。这表明有可能实施选择性电化学催化。我们相信,这些效应可用于电化学传感器应用,并且我们正在开发的理论仪器可用于针对电化学应用的新材料进行目标化学设计。”


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