数学设计的石墨烯具有改善的电催化活性

一个国际研究小组已经提高了石墨烯催化“氢析出反应”的能力，这种反应通过电子通过水来释放氢气。他们设计了一种数学预测的石墨烯电催化剂，并使用高分辨率电化学​​显微镜和计算模型证实了其性能。研究结果发表在“高级科学”杂志上。

东北大学材料研究高级研究所（AIMR）的Akichika Kumatani，大阪大学的Tatsuhiko Ohto，筑波大学的Yoshikazu Ito以及日本和德国的同事们发现，在石墨烯孔的明确边缘附近添加氮和磷“掺杂剂”它能够电催化析氢反应。

基于石墨烯的催化剂优于基于金属的催化剂，因为它们是稳定且可控的，使得它们适用于燃料电池，能量储存和转化装置以及水电解。通过对其结构进行多个同时更改，可以改善它们的属性。但科学家们需要能够在Nano尺度上“看到”这些变化，以便了解它们如何共同促进催化作用。

Kumatani和他的同事使用最近开发的扫描电化学电池显微镜（SECCM）直接，亚微观观察电解过程中电流通过水时发生的电化学反应。它还使他们能够分析石墨烯电催化剂的结构变化如何影响其电化学活性。使用传统方法不可能进行这种观察。

该团队合成了一种由石墨烯片制成的电催化剂，该片充满了数学预测的孔，边缘清晰。孔周围的边缘增加了可用于发生化学反应的活性位点的数量。他们通过在孔边缘周围添加氮和磷Atom来掺杂石墨烯片。然后使用石墨烯基电催化剂来增强电解过程中氢的释放。

使用SECCM，该团队发现他们的石墨烯电催化剂显着改善了电解过程中能量释放的电流形成。他们的计算计算表明，添加氮和磷掺杂剂可增强孔边缘周围Atom上正负电荷的对比度，从而提高其传输电流的能力。

氮掺杂和磷掺杂的多孔石墨烯电催化剂比仅掺杂两种化学元素之一的那些更好地工作。

“这些研究结果为石墨烯基电极催化剂中石墨烯边缘结构的Atom级工程铺平了道路，通过电化学活动的局部可视化，”研究人员总结道。

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