НАЗВАНИЕ СТАТЬИ:
Влияние концентрации дефектов в графене на емкость двойного слоя в~водных растворах: DFT-моделирование

СПИСОК АВТОРОВ:
Павлов С.В., Кисленко В.А., Кисленко С.А.

СПИСОК АВТОРОВ (С РАСШИФРОВКОЙ):
Павлов Сергей Владимирович, Кисленко Виталий Александрович, Кисленко Сергей Александрович

DOI:
https://doi.org/10.33849/2023111

ПОСТУПИЛА В РЕДАКЦИЮ:
31 июля 2023 г.

ЖУРНАЛ:
Вестник Объединенного института высоких температур

ТОМ:
9

ГОД:
2023

СТРАНИЦЫ:
60-64

РУБРИКА:
Проблемы энергетики

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
теория функционала плотности, суперконденсаторы, графен, точечные дефекты, электронный перенос

КОДЫ КЛАССИФИКАТОРОВ:
УДК 541.136, УДК 544.636, ГРНТИ 31.15.33, ВАК 02.00.05

АННОТАЦИЯ:
Суперконденсаторы являются перспективным типом электрохимических устройств, в первую очередь, благодаря их высокой удельной мощности. При этом, основным их недостатком является низкая удельная энергоемкость, которая может быть увеличена за счет разработки электродного материала с высокой площадью поверхности, например, на основе графена. Главный недостаток графена в этой связи --- его низкая квантовая емкость, лимитирующая емкость межфазной границы электрод--электролит. В данной работе изучена возможность повышения удельной емкости межфазной границы графен--электролит за счет создания внутренних дефектов в графене: единичных вакансий и дефектов Стоуна--Уэльса. Рассчитана дифференциальная квантовая емкость графена с различной концентрацией дефектов как функция смещения энергии Ферми относительно точки Дирака при зарядке поверхности. Показано, что с ростом концентрации единичных вакансий интегральная емкость растет, выходя на плато со значением порядка 18 ,мкФ ,$ cdot$ ,см$^{-2}$ при концентрации более 0.6 ,нм$^{-2}$. Дефекты Стоуна--Уэльса менее эффективны для увеличения интегральной емкости межфазной границы. Емкость составляет порядка 9--10 ,мкФ ,$ cdot$ ,см$^{-2}$ при концентрации дефектов $ sim$1 ,нм$^{-2}$. Также в работе показано влияние концентрации дефектов на константу скорости внешнесферного электронного переноса, являющейся ключевой стадией во многих электрохимических устройствах.

TITLE:
Effect of Defect Concentration in Graphene on Double Layer Capacitance in Aqueous Solutions: DFT Simulation

AUTHORS:
Pavlov S.V., Kislenko V.A., Kislenko S.A.

KEYWORDS:
density functional theory, supercapacitors, graphene, point defects, electron transfer

ABSTRACT:
Supercapacitors are a promising type of electrochemical devices, primarily due to their high power density. At the same time, their main disadvantage is low specific energy density, which can be increased by developing an electrode material with a high surface area, for example, based on graphene. The main drawback of graphene in this regard is its low quantum capacitance, which limits the capacitance of the electrode-electrolyte interface. In this work, we studied the possibility of increasing the specific capacitance of the graphene-electrolyte interface by creating internal defects in graphene: monovacancies and Stone-Wales defects. The differential quantum capacitance of graphene with different concentrations of defects is calculated as a function of the shift of the Fermi level with respect to the Dirac point when the surface is charged. It is shown that as the concentration of monovacancies increases, the integral capacitance increases, reaching a plateau with a value of the order of 18~μF~$\cdot$~cm$^{-2}$ at a concentration of more than 0.6~nm$^{-2}$. Stone-Wales defects are less effective for increasing the integral capacitance of the interface. The capacitance is about 9-10~μF~$\cdot$~cm$^{-2}$ at a defect concentration of $\sim$1~nm$^{-2}$. This work also shows the influence of defect concentration on the rate constant of outer-sphere electron transfer, which is a key stage in many electrochemical devices.