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    數學設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提高了石墨烯催化“氫析出反應”的能力,這種反應通過電子通過水來釋放氫氣。他們設計了一種數學預測的石墨烯電催化劑,并使用高分辨率電化學顯微鏡和計算模型證實了其性能。研究結果發表在“ 高級科學 ”雜志上。

    東北大學材料研究高級研究所(AIMR)的Akichika Kumatani,大阪大學的Tatsuhiko Ohto,筑波大學的Yoshikazu Ito以及日本和德國的同事們發現,在石墨烯孔的明確邊緣附近添加氮和磷“摻雜劑”它能夠電催化析氫反應。

    基于石墨烯的催化劑優于基于金屬的催化劑,因為它們是穩定且可控的,使得它們適用于燃料電池,能量儲存和轉化裝置以及水電解。通過對其結構進行多個同時更改,可以改善它們的屬性。但科學家們需要能夠在納米尺度上“看到”這些變化,以便了解它們如何共同促進催化作用。

    Kumatani和他的同事使用最近開發的掃描電化學電池顯微鏡(SECCM)直接,亞微觀觀察電解過程中電流通過水時發生的電化學反應。它還使他們能夠分析石墨烯電催化劑的結構變化如何影響其電化學活性。使用傳統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,該片充滿了數學預測的孔,邊緣清晰??字車倪吘壴黾恿丝捎糜诎l生化學反應的活性位點的數量。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,該團隊發現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元素之一的那些更好地工作。

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

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