Исследователи разрабатывают электрокатализатор на основе графена, обладающий повышенной электрокаталитической активностью

Международная группа ученых недавно расширила способность графена катализировать «реакцию выделения водорода», которая вырабатывает водород при пропускании электрического тока через воду во время электролиза.

Атомы углерода наносились на подложку с помощью химического осаждения из паровой фазы. Наночастицы оксида кремния на подложке обеспечивали образование дырок. Добавлены атомы азота и фосфора. В конечном итоге был получен однослойный легированный графеновый катализатор. (Изображение предоставлено: Kumatani)

Исследователи разработали математически предсказанный графеновый электрокатализатор и подтвердили его эффективность с помощью компьютерного моделирования и электрохимической микроскопии высокого разрешения. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science.

Йошикадзу Ито из Университета Цукуба, Акичика Куматани из Продвинутого института материаловедения (AIMR) Университета Тохоку, Тацухико Охто из Университета Осака и его коллеги из Германии и Японии обнаружили, что при добавлении в скважину «допантов» фосфора и азота -характеризованные края графеновых дыр, его потенциал для электрокатализа реакции выделения водорода значительно улучшается.

По сравнению с металлическими катализаторами, графеновые обеспечивают преимущество в том, что они управляемы и стабильны, что делает их подходящими для использования в устройствах для электролиза воды, в устройствах накопления и преобразования энергии и в топливных элементах. Внесение многочисленных одновременных изменений в их структуру может улучшить свойства катализаторов на основе графена. Тем не менее, исследователи должны быть в состоянии «увидеть» эти вариации на наноуровне, чтобы выяснить, как они работают вместе, чтобы стимулировать катализ.

Вместе со своими коллегами Куматани применил недавно разработанную сканирующую электрохимическую микроскопию, или SECCM, для прямой и субмикроскопической визуализации электрохимических реакций, которые происходят при пропускании электрического тока через воду во время электролиза. Кроме того, это также позволило исследователям изучить, как структурные изменения в графеновых электрокатализаторах влияют на их электрохимическую активность. Такое наблюдение не может быть достигнуто с помощью традиционных методов.

Исследователи разработали новый электрокатализатор, изготовленный из графенового листа, заполненного научно предсказанными отверстиями с хорошо охарактеризованными краями. Эти края вокруг отверстий графена увеличивают количество активных центров, существующих для химических реакций. Чтобы легировать лист графена, команда добавила атомы фосфора и азота по краям отверстия. Впоследствии электрокатализатор на основе графена был использован для улучшения выделения водорода во время электролиза.

С помощью метода SECCM исследователи обнаружили, что их электрокатализатор на основе графена значительно усиливает образование электрического тока в ответ на энергию, выделяемую в процессе электролиза. Вычислительные расчеты команды показывают, что добавление фосфорных и азотных присадок улучшает контраст отрицательных и положительных зарядов на атомах, окружающих края отверстия, тем самым увеличивая их способность пропускать электрический ток.

Было замечено, что электрокатализаторы с дырочным графеном, легированные фосфором и азотом, функционируют лучше, чем те, которые легированы только одним из двух химических элементов.

« Эти результаты прокладывают путь для атомной инженерии краевой структуры графена в электрокатализаторах на основе графена посредством локальной визуализации электрохимических активностей », – заключили ученые.

Source link