Акитика Куматани из Передового института исследования материалов (AIMR) Университета Тохоку, Тацухико Охто из Университета Осаки, Йошиказу Ито из Университета Цукуба и его коллеги из Японии и Германии обнаружили, что добавление “ легирующих примесей ” азота и фосфора вокруг четко определенных краев графеновых отверстий улучшает его способность электрокатализировать реакцию выделения водорода.
Катализаторы на основе графена имеют преимущество перед катализаторами на основе металлов в том, что они стабильны и управляемы, что делает их пригодными для использования в топливных элементах, устройствах хранения и преобразования энергии, а также при электролизе воды. Их свойства можно улучшить, внося несколько одновременных изменений в их структуру.
Но ученым необходимо уметь «видеть» эти изменения в наномасштабе, чтобы понять, как они работают вместе, способствуя катализу.
Куматани и его коллеги использовали недавно разработанную сканирующую электрохимическую клеточную микроскопию (SECCM) для прямого субмикромасштабного наблюдения электрохимических реакций, которые происходят, когда ток проходит через воду во время электролиза.
Это также позволило им проанализировать, как структурные изменения в графеновых электрокатализаторах влияют на их электрохимическую активность. Этот тип наблюдения невозможен с использованием традиционных подходов.
Команда синтезировала электрокатализатор, сделанный из листа графена, полного математически предсказанных отверстий с четко определенными краями. Края вокруг отверстий увеличивают количество активных центров, доступных для протекания химических реакций. Они легировали графеновый лист, добавляя атомы азота и фосфора по краям отверстий.
Затем электрокатализатор на основе графена был использован для увеличения выделения водорода во время электролиза.
Используя SECCM, команда обнаружила, что их графеновый электрокатализатор значительно улучшил образование тока в ответ на выделение энергии во время электролиза.
Их вычислительные расчеты показывают, что добавление легирующих примесей азота и фосфора увеличивает контраст положительных и отрицательных зарядов на атомах, окружающих края отверстия, повышая их способность переносить электрический ток.
Электрокатализаторы из дырчатого графена, допированные азотом и фосфором, работали лучше, чем те, которые были допированы только одним из двух химических элементов.
«Эти открытия открывают путь к инженерии на атомном уровне краевой структуры графена в электрокатализаторах на основе графена посредством локальной визуализации электрохимической активности», – заключают исследователи.