Электролит имеет значение: ученые разработали модель перераспределения зарядов в графеновых структурах

Российские ученые разработали модель, которая показывает, как перераспределяются заряды внутри структуры металл / графен в контакте с электролитом. Она поможет предсказывать электрохимические свойства таких гетероструктур, что важно для развития электрокатализа и электрохимических биосенсоров.

Гетероструктуры металл / графен применяются в различных областях электрохимии и нанотехнологий, например в катализаторах для топливных элементов, металл-воздушных батареях, а также аккумуляторах с литиевым анодом. Кроме того, такие структуры используются в газовых сенсорах и биосенсорах для обнаружения патогенов, определения уровня глюкозы, и детектирования ДНК в растворе. Графеновое покрытие создает эффективный защитный барьер, препятствующий коррозии даже таких легко окисляемых металлов, как железо, медь, никель и кобальт. Это позволяет использовать наночастицы таких металлов с графеновой оболочкой в качестве более дешевой и долговечной, но не менее эффективной альтернативы классическим платиновым катализаторам.

Важный фактор, влияющий на кинетику электрохимических процессов, — перераспределение заряда между металлом и графеновыми слоями в гетероструктуре при потенциале протекания реакции. Без понимания того, как свойства металла, число графеновых слоев и потенциал влияют на этот фактор, сложно проектировать катализаторы или сенсоры.

«Основная проблема — отсутствие данных о взаимосвязи между поверхностным зарядом и потенциалом электрода металл / графен относительно электродов сравнения, используемых в экспериментах. Это затрудняет компьютерное моделирование таких систем в условиях, приближенных к экспериментальным. Предыдущие модели не учитывали, что электрод контактирует с внешней средой (в нашем случае — раствором электролита), моделирование выполнялось для структуры „в вакууме”», — пояснил Дмитрий Гордиенко, студент Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ.

В этой работе физики из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института учли влияние потенциала и наличие электролита. Работа опубликована в журнале Journal of Computational Chemistry.

Ученые выполнили компьютерное моделирование трехфазной системы: металл / графен / электролит, максимально точно воссоздавая условия реального эксперимента. Ученые построили виртуальную модель системы: металл (золото или платина) с одним–тремя слоями графена в водном электролите. После этого они рассчитали распределение заряда между слоями в зависимости от приложенного к электроду потенциала, что позволило разработать простую феноменологическую модель. Ученые предложили рассматривать металл, слои графена и электролит как связанные конденсаторы, то есть как элементы электрической цепи, каждый из которых накапливает заряд. Предложенная модель описывает распределение зарядов в слоях системы в зависимости от приложенного потенциала, свойств металла и числа графеновых слоев. Такой подход упрощает анализ и позволяет симулировать поведение системы без необходимости проведения сложных и ресурсоемких квантово-химических расчетов.

«Модель позволяет быстро рассчитывать распределение заряда без применения ресурсоемких вычислительных методов, таких как метод теории функционала электронной плотности (квантово-механические подходы, основанные на численном решении уравнения Шредингера). Раньше такой расчет даже с применением суперкомпьютеров мог занимать несколько дней. А наша модель позволяет получать информацию о распределении заряда за считанные секунды на обычном персональном компьютере», — прокомментировал Виталий Кисленко, научный сотрудник ОИВТ РАН.

Предложенная теоретическая модель — важный шаг на пути к пониманию электрохимических свойств гетероструктур металл / графен. Она позволит проектировать более эффективные электрокатализаторы и биосенсоры. Это исследование способствует развитию «зеленой» энергетики, медицины и электроники, делая приборы дешевле и эффективнее.

«Мы планируем использовать результаты для анализа кинетики широкого круга реакций на поверхности гетероструктур, имеющих прикладное значение. Мы ожидаем, что запланированное исследование внешнесферного электронного переноса позволит предложить катализаторы с улучшенными свойствами для проточных редокс-батарей, а исследование реакции восстановления кислорода позволит оптимизировать катализаторы для водородных топливных элементов», — поделился Сергей Кисленко, доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ и заведующий лабораторией электрохимической энергетики ОИВТ РАН.