Написано AZoNano

19199 9007]

Электрохимическая визуализация показывает, что атомы фосфора и азота жизненно важны для повышения потенциала дырявого графена, способствующего высвобождению водорода во время электролиза.

Международная группа исследователей расширила потенциал графена для стимулирования «реакции выделения водорода», которая высвобождает водород при прохождении электронного тока через воду. Они разработали математически предсказанный графеновый электрокатализатор и подтвердили его эффективность с помощью электрохимической микроскопии высокого разрешения и компьютерного моделирования. Результаты были опубликованы в журнале Advanced Science .

Акичика Куматани из Продвинутого института исследования материалов Университета Тохоку (AIMR), Тацухико Охто из Университета Осака, Йошикадзу Ито из Университета Цукуба, Ясуфуми Такахаси из Университета Канадзава и его коллеги из Германии и Японии обнаружили добавление фосфора и азота «dopopant». «Вокруг четко очерченных краев графеновых отверстий улучшился его потенциал для электрокатализа реакции выделения водорода.

Катализаторы на основе графена имеют преимущество перед аналогами на основе металлов, поскольку они управляемы и стабильны, что делает их идеальными для использования в устройствах накопления и преобразования энергии, топливных элементах и ​​при электролизе воды. Их свойства могут быть улучшены путем введения нескольких одновременных модификаций в их структуры. Однако, чтобы понять, как они работают вместе для поддержки катализа, исследователи должны быть в состоянии «увидеть» эти модификации в наномасштабе.

Куматани и его товарищи по команде использовали недавно разработанную сканирующую электрохимическую микроскопию (SECCM) для прямого, субмикроскопического анализа электрохимических реакций, которые происходят при пропускании тока через воду во время электролиза. Кроме того, это позволило им посмотреть, как структурные изменения в графеновых электрокатализаторах влияют на их электрохимическую активность. Такой анализ невозможен с помощью традиционных методов.

Группа изготовила электрокатализатор, разработанный из листа графена, живого с математически предсказанными отверстиями с четко определенными краями. Число активных мест, доступных для химических реакций, увеличивается за счет краев вокруг отверстий. Они легировали графеновый лист, вводя атомы фосфора и азота по краям отверстия. Электрокатализатор на основе графена впоследствии использовался для улучшения выделения водорода при электролизе.

Исследовательская группа использовала SECCM, чтобы обнаружить, что их графеновый электрокатализатор значительно усиливал образование тока в ответ на выделение энергии во время электролиза. Их вычислительные оценки предполагают, что включение фосфорных и азотных присадок улучшает контраст отрицательных и положительных зарядов на атомах вокруг краев дыр, повышая их способность переносить электрический ток.

Электрокатализаторы с дырочным графеном, легированным фосфором и азотом, продемонстрировали улучшенные характеристики по сравнению с легированными только одним из двух химических элементов.

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

Используя метод химического осаждения из паровой фазы, атомы углерода наносились на подложку. Создание дырок было обеспечено наночастицами оксида кремния на подложке. Атомы фосфора и азота были легированы. Наконец, был получен однослойный легированный графеновый катализатор

.

Фундер

JST-PRESTO «Создание инновационной базовой технологии для производства и использования энергоносителей из возобновляемых источников энергии»; Грант для научных исследований в инновационных областях «Дискретный геометрический анализ для проектирования материалов»; JSPS KAKENHI; Инициатива Международного Исследовательского Центра (WPI), MEXT, Япония; Платформа для определения характеристик микроструктуры NIMS и Платформа для синтеза молекул и материалов в качестве программы «Проекта нанотехнологической платформы», MEXT, Япония; Программа поддержки фундаментальных исследований Университета Цукуба, тип S; Фонд Иватани Наоджи; Интеллектуальный Космос Академический фонд.