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