Дефекты в структуре графена увеличивают его электрокаталитическую активность

Ученые из Московского физико-технического института, 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 перенос электрона на определенный класс реагентов в растворе. Это свойство может очень пригодиться при создании чувствительных электрохимических сенсоров и электрокатализаторов. Работа выполнена при поддержке РФФИ. Результаты опубликованы в журнале Electrochimica Acta, кратко о них рассказывает пресс-служба МФТИ.

Графен имеет большой потенциал для применения в биосенсорах, солнечных элементах и химических источниках тока. 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 данной 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). Расчеты также показали, что из-за низкой квантовой емкости графенового листа кинетикой переноса электрона можно управлять, изменяя емкость двойного слоя.

Сравнение электронных свойств бездефектного графена (a, f) и графена, содержащего вакансию (c, h). Возникновение локальных электронных состояний вблизи уровня ферми во втором случае катализирует неадиабатический гетерогенный перенос электрона. Источник: Vitaliy A. Kislenko, Electrochimica Acta

«В наших расчетах мы попытались установить взаимосвязь между кинетикой гетерогенного переноса электрона и изменениями электронных свойств графена, вызванными дефектами. Оказалось, что привнесение дефектов в идеальный графеновый лист может приводить к росту плотности электронных состояний вблизи уровня ферми и катализировать перенос электрона. При этом различные дефекты по-разному меняют плотность электронных состояний в различных энергетических областях, что создает предпосылки для реализации селективного электрохимического катализа. Мы полагаем, что эти эффекты могут быть полезны для применения в электрохимических сенсорах, а развиваемый нами теоретический аппарат — для направленного химического дизайна новых материалов для электрохимических приложений», — дополняет Сергей Кисленко, доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ.