Графен представляет собой двумерную кристаллическую решетку из атомов углерода, связанных по типу sp²-гибридизации, формирующую шестиугольные ячейки. Его уникальные электронные свойства определяются высокой подвижностью электронов, малой эффективной массой носителей заряда и линейной дисперсией энергетических зон вблизи точки Дирака. Эти особенности создают фундамент для необычайно высокой электропроводности и низкого электрического сопротивления, что делает графен перспективным материалом для электрохимических систем.
Графен обладает большой удельной поверхностью (~2630 м²/г), высокой химической стабильностью, прочностью и термической устойчивостью, что позволяет использовать его в качестве электродного материала в различных электрохимических процессах, включая сенсоры, суперконденсаторы и катализ.
Электронная проводимость и двойной электрический слой Высокая проводимость графена обеспечивает эффективное движение электронов в процессе окислительно-восстановительных реакций. Формирование двойного электрического слоя на поверхности графена при контакте с электролитом способствует накоплению заряда и оказывает влияние на потенциал поляризации электрода.
Капацитивные свойства Графен демонстрирует преимущественно электрическую двойную слойную емкость (EDLC), а его наноразмерные дефекты и функциональные группы могут способствовать псевдокапацитивным эффектам, увеличивая общую емкость. Это делает материал эффективным для хранения энергии в суперконденсаторах и гибридных системах.
Электрохимическая стабильность Графен устойчив к широкому диапазону потенциалов и коррозионным условиям, что позволяет использовать его в агрессивных электролитах, включая кислоты, щелочи и органические растворители. Его химическая инертность снижает риск нежелательных побочных реакций и обеспечивает долговечность электродов.
Функционализация поверхности Окисление графена (получение графен оксида, GO) вводит кислородсодержащие функциональные группы, которые повышают гидрофильность и обеспечивают химические активные центры для адсорбции и катализа. Восстановление графен оксида (rGO) восстанавливает проводимость, сохраняя при этом часть функциональных групп для электрохимической активности.
Композитные материалы Введение наночастиц металлов (Pt, Au, Ni, Co) или оксидов металлов в графеновую матрицу усиливает каталитическую активность и электрохимическую реактивность. Металло-графеновые композиты активно применяются в топливных элементах, датчиках и батареях, обеспечивая высокую плотность тока и стабильность.
Доппинг атомами гетероэлементов Замещение атомов углерода в решетке графена атомами азота, бора, фосфора или серы изменяет электронную структуру и химический потенциал поверхности, повышая катализ и улучшая кинетику окислительно-восстановительных процессов.
Циклическая вольтамперометрия (CV) Используется для оценки окислительно-восстановительных свойств графена и его производных, определения потенциалов пиков и емкости. CV позволяет анализировать процессы адсорбции, катализа и переноса электронов.
Импедансная спектроскопия (EIS) Применяется для изучения сопротивления интерфейса графен-электролит, диффузионных процессов и емкостных характеристик. EIS позволяет количественно оценить вклад двойного электрического слоя и псевдокапацитивных эффектов.
Гальваностатика и зарядно-разрядные циклы Методика измерения емкости и стабильности графеновых электродов при циклической нагрузке, выявления деградации и потерь емкости в длительных эксплуатационных циклах.
Суперконденсаторы Графен и его модификации обеспечивают высокую удельную емкость, быстрые зарядно-разрядные характеристики и долговечность, превосходя традиционные углеродные материалы. Комбинация EDLC и псевдокапацитивных эффектов обеспечивает высокую энергоемкость и мощность.
Батареи и топливные элементы Графен служит как добавка к анодным и катодным материалам, повышая электропроводность, улучшая перенос ионов и увеличивая плотность тока. Металло-графеновые катализаторы применяются в кислородных и водородных реакциях топливных элементов.
Электрохимические сенсоры Высокая удельная поверхность и возможность функционализации делают графен чувствительным к малым концентрациям аналитических веществ. Электроды на основе графена используются для детекции биомолекул, газов, ионов металлов, обеспечивая низкий предел обнаружения и быстрый отклик.
Катализ и фотоэлектрохимия Графен способствует улучшению кинетики электрохимических реакций, служит проводником для фотогенерированных электронов и увеличивает эффективность фотоэлектрохимических процессов, включая разложение воды и органический синтез под световым воздействием.
Главные ограничения применения графена связаны с контролем дефектов, однородностью слоев и стабильностью функциональных групп. Исследования направлены на оптимизацию синтеза, масштабирование производства, улучшение стабильности и разработку композитов с высокой каталитической активностью. Интеграция графена с другими наноматериалами открывает новые возможности для электрохимии следующего поколения, включая гибкие устройства хранения энергии, высокочувствительные сенсоры и экологически безопасные каталитические системы.