Дефектный графен может сделать сенсоры и катализаторы на порядок лучше

Дефектный графен в представлении художника

Дарья Сокол/МФТИ

Создание дефектов в графене способно увеличить скорость переноса заряда на порядок. Это свойство, описанное в статье в журнале Electrochimica Acta, может очень пригодиться при создании чувствительных электрохимических сенсоров и электрокатализаторов.

Графен, как новый тип углеродных электродов, широко применяется в биосенсорах, солнечных элементах и химических источниках тока. Химически модифицированный графен может стать дешевым и эффективным аналогом 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 течение окислительно-восстановительных процессов. Все больше новых эксперментальных данных удается получить по переносу электрона на поверхности графена, который ускоряется на структурных дефектах, таких, как вакансии, графеновые края, примесные гетероатомы, кислородсодержащие функциональные группы. Ученые из МФТИ, Сколтеха и Объединенного института высоких температур РАН теоретически исследовали влияние дефектов в графене на перенос электронов на границе фаз графен/раствор.

В данной работе исследователи установили, что одиночная и двойная вакансии, дефект Стоуна-Уэльса, примесный атом азота, -O- и -OH группы значительно влияют на скорость переноса электрона. 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). Согласно расчетам российских ученых, из-за низкой квантовой емкости одинарного графенового листа процессом можно управлять, изменяя емкость двойного слоя графена.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 2

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

Фото: Vitaliy A.Kislenko/Electrochimica Acta

«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.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.