數(shù)學(xué)設(shè)計的石墨烯具有改善的電催化活性

一個國際研究小組已經(jīng)提高了石墨烯催化析氫反應(yīng)的能力，氫氣釋放反應(yīng)通過電子通過水釋放氫氣。他們設(shè)計了一種數(shù)學(xué)預(yù)測的石墨烯電催化劑，并使用高分辨率電化學(xué)顯微鏡和計算模型證實了其性能。研究結(jié)果發(fā)表在“高級科學(xué)”雜志上。

東北大學(xué)材料研究高級研究所(AIMR)的Akichika Kumatani，大阪大學(xué)的Tatsuhiko Ohto，筑波大學(xué)的Yoshikazu Ito及日本和德國的同事發(fā)現(xiàn)，在石墨烯孔的明確邊緣附近添加氮和磷摻雜劑可提高其能力電催化氫析出反應(yīng)。

基于石墨烯的催化劑優(yōu)于基于金屬的催化劑，因為它們是穩(wěn)定且可控的，使得它們適用于燃料電池，能量儲存和轉(zhuǎn)化裝置以及水電解。通過對其結(jié)構(gòu)進行多個同時更改，可以改善它們的屬性。但是科學(xué)家們需要能夠在納米尺度上看到這些變化，以便了解它們?nèi)绾喂餐龠M催化作用。

Kumatani和他的同事使用最近開發(fā)的掃描電化學(xué)電池顯微鏡(SECCM)直接，亞微觀觀察電解過程中電流通過水時發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。它還使他們能夠分析石墨烯電催化劑的結(jié)構(gòu)變化如何影響其電化學(xué)活性。使用傳統(tǒng)方法不可能進行這種觀察。

該團隊合成了一種由石墨烯片制成的電催化劑，該片充滿了數(shù)學(xué)預(yù)測的孔，邊緣清晰?？字車倪吘壴黾恿丝捎糜诎l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性位點的數(shù)量。他們通過在孔邊緣周圍添加氮和磷原子來摻雜石墨烯片。然后使用石墨烯基電催化劑來增強電解過程中氫的釋放。

使用SECCM，該團隊發(fā)現(xiàn)他們的石墨烯電催化劑顯著改善了電解過程中能量釋放的電流形成。他們的計算計算表明，添加氮和磷摻雜劑可增強孔邊緣周圍原子上正負(fù)電荷的對比度，從而提高其傳輸電流的能力。

氮摻雜和磷摻雜的多孔石墨烯電催化劑比僅摻雜兩種化學(xué)元素之一的那些更好地工作。

“這些研究結(jié)果為石墨烯基電極催化劑中石墨烯邊緣結(jié)構(gòu)的原子級工程鋪平了道路，通過電化學(xué)活動的局部可視化，”研究人員總結(jié)道。