Моделирование электрокаталитических свойств графеновых дефектов

Работа посвящена исследованию внешнесферного электронного переноса (ЭП) на поверхности графена, содержащего точечные и протяженные дефекты. Методом молекулярной динамики анализируется структура реакционного слоя вблизи графеновых дефектов; квантово-химические методы используются для анализа электронных свойств поверхности. Показан, что вблизи дефектов скорость ЭП может увеличиваться на 2-3 порядка. Электрокаталитический эффект зависит от типа дефекта и редокс-пары в электролите. Полученные результаты показывают возможность реализации селективного электрокатализа. 

В работе также анализируется кинетика ЭП на поверхности гетероструктур металл/графен. Показано, что металлы катализируют электронный перенос на поверхности графена, при этом каталитический эффект возрастает в следующем ряду Al < Au ≲ Ag ~ Cu < Pt. Ускорение ЭП в присутствии металлической подложки объясняется гибридизацией волновых функций металла и графена. Результат обосновывает возможность использования металлических наночастиц c защитным графеновым покрытием в качестве электрокатализаторов с повышенным ресурсом. 

В заключительной части приводятся результаты моделирования электрокаталитических свойств допированных азотом графенов в реакции восстановления кислорода, протекающей на катоде топливного элемента. Используется DFT моделирование в большом каноническом ансамбле при фиксированном потенциале поверхности. Пиррольные атомы азота наиболее эффективно катализируют четырехэлектронный механизм реакции и ингибируют двухэлектронный механизм.