Моделирование электрокаталитических свойств дефектов в графене тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Павлов Сергей Владимирович

• Павлов Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Павлов Сергей Владимирович

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Использование углеродных материалов в электрохимических приложениях

1.2 Влияние морфологии электрода на транспорт реагентов

1.3 Электронные свойства наноматериалов на основе углерода

1.4 Методы атомистического моделирования для исследования наноматериалов

1.4.1 Метод молекулярной динамики

1.4.2 Теория функционала плотности

1.5 Современное состояние теории переноса электрона

Глава 2. Методология исследования

2.1 Исследование структуры межфазной границы электрод/электролит

2.2 Исследования электронной структуры графенов, содержащих дефекты и функциональные группы

2.3 Исследование кинетики переноса электрона

2.3.1 Кластерная модель графена

2.3.2 Периодическая модель графена

2.3.3 Технические детали расчета константы скорости

2.3.4 Случай трехфазной системы металл-графен-электролит

Глава 3. Влияние морфологии поверхности графенового электрода на структуру межфазной границы

электрод/электролит

3.1 Структура растворителя вблизи графенового электрода

3.2 Кинетика адсорбции реагентов реакции восстановления кислорода Ы+ и

3.3 Распределения 02 и О- вблизи графенового электрода с единичной вакансии

Стр.

Глава 4. Электронная структура графена, содержащего

дефекты и функциональные группы

4.1 Электронная структура краев графена различной морфологии

4.2 Электронная структура графена, содержащего точечные дефекты

4.3 Влияние подложки из золота под однослойным графеном на его электронные свойства

4.4 Электронные свойства восстановленного оксида графена, допированного азотом (К-Юй)

4.5 Влияние карбонильных и карбоксильных групп на электронную структуру графена

Глава 5. Электрокаталитические свойства краев графена в

кластерной модели электрода

5.1 Зависимость электронного трансмиссионного коэффициента от расстояния до поверхности графена

5.2 Расчет константы скорости переноса электрона с кластеров графена с пространственным разрешением

Глава 6. Электрокаталитические свойства дефектов

поверхности графена и металлической подложки в периодической геометрии

6.1 Влияние модели описания акцепторных орбиталей

6.2 Пространственно разрешенная кинетика электронного транспорта на поверхности графена: влияние дефектов и редокс потенциала

6.3 Влияние золотой подложки на кинетику электронного переноса

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование электрокаталитических свойств дефектов в графене»

Введение

Графен и материалы на его основе активно исследуются в большом ряду приложений от сенсоров, композитных материалов и микроэлектроники до квантовых точек и антикоррозийных покрытий [1]. Кроме того, углеродные наноматериалы рассматриваются научным сообществом и индустрией как перспективные электродные материалы для различных электрохимических приложений. Большой интерес к использованию графена наблюдается в таких устройствах как суперконденсаторы, аккумуляторы, биосенсоры [2]. В ряде применений графена это связано с его физико-химическими свойствами: высокая электропроводность, большая удельная площадь поверхности, высокая пористость, механическая и химическая стабильность [3; 4]. Другие опираются на его уникальные электронные свойства - в частности это крайне важно для электрокаталитических приложений [5—7].

Идеальный графен имеет нулевую плотность электронных состояний и линейный закон дисперсии вблизи энергии Ферми, в связи с чем он проявляет нетривиальные электронные и квантовые свойства, которые до сих пор являются предметом фундаментальных исследований [1]. На практике при масштабном производстве графен представляет из себя гораздо более сложную и неоднородную структуру, включающую в себя точечные и линейные дефекты, примесные атомы, может иметь различное количество слоев. Во многих теоретических и экспериментальных работах показано, что дефекты поверхности графена существенно влияют на его электронные свойства [2; 8; 9].

Электрокатализаторы на основе графена рассматриваются, как перспективная замена традиционных платиновых катализаторов, которые обладают существенными минусами, такими как высокая цена и низкая стабильность [10; 11]. При этом, наряду с уже достаточно хорошо показавшими себя углеродными материалами, допированными различными гетероатомами, такими как азот, бор, фосфор и сера [12—14], рассматриваются беспримесные углеродные материалы с электрокаталитическим эффектом [15; 16]. Показано, что дефекты, края и примеси в графене катализируют различные электрохимические реакции, такие как, реакция восстановления и выделения кислорода (ORR и OER) [17; 18], реакция выделения водорода (HER) [18; 19], реакция восстановления С02 [20].

Исследование стадии переноса заряда на примере этих многостадийных внутрисферных процессов представляет существенную сложность, поскольку необходимо понимать механизм реакции, а также на какой стадии происходит непосредственно перенос электрона. Для фундаментальных исследований более удобными модельными реакциями являются реакции внешнесферного переноса электрона, механизм протекания которых не предполагает связывания реагента с поверхностью электрода и химических реакций с растворителем. В ряде экспериментов, направленных на исследование роли электронной структуры графена на стадию переноса электрона, используются такие модельные реакции. При этом сообщается об их ускорении при использовании графена, содержащего дефекты, краевые сайты и примеси [16; 21—24]. Эти исследования позволяют провести сравнение с теоретическим расчетом константы скорости гетерогенного внешнесферного переноса электрона.

Длительную историю имеет развитие теории гетерогенного переноса электрона, существенный вклад в которую на начальных этапах сделали Левич, Кузнецов и Догонадзе [25—28], основываясь на теории Ландау-Зинера [29—32]. Также можно отметить модель Геришера [33], статистически учитывающую плотность электронных состояний в электроде.

С развитием суперкомпьютерных технологий, стало возможно исследование гетерогенных процессов с использованием атомистического уровня описания электрода, межфазной границы и реагента. Широкое применение находят методы молекулярной динамики (МЭ) и теория функционала электронной плотности (ЭРТ) [34; 35]. При этом комбинация квантово-механической теории электронного переноса и атомистическое моделирование является наиболее привлекательным подходом для многофакторного исследования гетерогенных процессов на межфазной границе.

Одним из факторов, влияющих на кинетику переноса электрона, является распределение реагентов реакции в приэлектродной области, которое зависит от структуры межфазной границы электрод-электролит. Для исследования этого фактора оптимальным балансом точности и производительности обладает метод классической молекулярной динамики. Можно выделить работы Федорова и Кисленко [36—40], в которых с помощью молекулярно-динамического моделирования исследовались свойства двойного электрического слоя на межфазной границе электрод/электролит, в том числе и с графеновым электродом.

Другим фактором является учет электронной структуры электрода при расчете константы скорости переноса электрода с помощью DFT расчетов. Среди прочих можно отметить работы Шмиклера, Назмутдинова и Ульструпа [41—43]. Совмещая теорию функционала плотности и квантово-механическую теорию электронного переноса, им удалось получить данные о кинетике гетерогенного переноса электрона с различных поверхностей. Основной фокус ими был сделан на металлические поверхности. При этом, в ряде недавних работ также исследовался и графен в качестве электрода [41; 44; 45]. Однако влияние морфологии углеродной поверхности и типа дефектов не исследовалось.

Большое внимание уделяется расчету матричного элемента Гамильтониана (electronic coupling matrix element), являющегося одним из наиболее важных параметров квантово-механической теории электронного переноса, существенно влияющим на кинетику и режим электронного переноса. Однако большинство точных методов его расчета применимы лишь для малых молекулярных систем [46; 47]. В силу вычислительной сложности, анализ электрокаталитической активности кристаллической поверхности остается нетривиальной задачей.

Помимо теоретической базы, развивается и экспериментальная техника исследования электронного переноса. Можно выделить метод сканирующей электрохимической микроскопии (SECCM - scanning electrochemical cell microscopy) [48; 49], позволяющий исследовать электронный перенос с пространственным разрешением. Наиболее активно публикующейся в этой области является группа под руководством Анвина [50—52], которым удалось исследовать с помощью метода SECCM ряд наноуглеродных материалов: нанотрубки, графены с различным количеством слоев, края пиролитического графита. Однако разрешающая способность такого метода составляет около 100нм, что все еще слишком много для исследования точечных дефектов поверхности.

Настоящая работа мотивирована рядом экспериментальных работ, показывающих ускорение внешнесферного переноса электрона с графена в присутствии: а) вакансий [16]; б) краев графена [53]; металлической подложки под графеновым слоем [21; 23]. Для объяснения этих эффектов предлагается подход на основе DFT расчетов и квантово-механической теории электронного переноса для быстрой оценки константы скорости переноса электрона с пространственным разрешением, составляющим доли Ангстрема, что позволяет исследовать влияние точечных дефектов на кинетику переноса электрона. Также, с помощью молекулярной динамики исследуется структура межфазной

границы электрод/электролит, которая оказывает влияние на распределение редокс-активных частиц в приэлектродном слое, а также влияет на кинетику других сопряженных с переносом электрона стадий - адсорбция реагентов и десорбция продуктов реакции.

Целью данной работы является исследование влияния морфологии поверхности графенового электрода на его электрокаталитические свойства с помощью методов атомистического моделирования и квантово-механической теории электронного переноса.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние морфологии углеродной поверхности на структуру межфазной границы электрод/электролит и на кинетику и термодинамику адсорбции основных реагентов реакции восстановления кислорода на поверхность электрода.

2. Реализовать код для расчета константы скорости гетерогенного переноса электрона с поверхности электрода на редокс частицу в рамках кластерной модели БЕТ.

3. Исследовать кинетику гетерогенного переноса электрона с поверхности графена различной морфологии (край, базальная плоскость) на молекулу кислорода.

4. Реализовать код для расчета константы скорости переноса электрона из результатов расчетов БЕТ в рамках периодической геометрии и плосковолнового базиса.

5. Исследовать влияние дефектов в структурной решетке графена на его электронные свойства и на кинетику гетерогенного переноса электрона с его поверхности.

6. Исследовать влияние подложки из золота под поверхностью графена на его электрокаталитические свойства.

Научная новизна:

1. Показано, что морфология поверхности углеродного электрода существенно влияет на структуру межфазной границы электрод/электролит, что в свою очередь оказывает влияние на энергетические профили адсорбции реагентов реакции восстановления кислорода. Обнаружено, что на краю графена концентрация и скорость адсорбции молекул кислорода выше, чем на базальной плоскости графена.

2. Исследована кинетика гетерогенного переноса электрона на молекулу кислорода с поверхности графенового кластера с различной морфологией края. Показано, что край графена типа зигзаг обладает электрокаталитическим эффектом в области неадиабатического переноса электрона.

3. Исследована электронная структура ряда функционализированных графенов, что позволило сопоставить результаты расчетов и экспериментальные спектры валентной зоны. Обнаружено соответствие локализованных электронных состояний на функциональных группах с соответствующими молекулами-прекурсорами.

4. Впервые предложено использование аналитических приближений для расчета матричного элемента переноса электрона в плосковолновом базисе, что позволило существенно увеличить эффективность расчетов.

5. Было выполнено исследование влияния ряда дефектов в поверхности графена на кинетику гетерогенного переноса электрона на ряд редокс частиц с пространственным разрешением. Обнаружены области проявления электрокаталитического эффекта над различными дефектами.

6. Исследовано влияние металлической подложки под поверхностью гра-фена на примере золота. Обнаружено ускорение кинетики переноса электрона с графена. Предложено объяснение данного эффекта гибридизацией электронных состояний в графене и золоте.

Практическая значимость Расширено понимание роли дефектов в гра-фене на его электронные свойства, на структуру межфазной границы и на кинетику электронного переноса с его поверхности. Полученные результаты могут быть полезны для направленного дизайна электродных материалов для различных электрохимических устройств - топливные элементы, аккумуляторы, псевдоконденсаторы.

Методология и методы исследования. В работе использовались методы компьютерного моделирования материалов на атомистическом уровне, а именно метод классической молекулярной динамики и теория функционала электронной плотности. Расчет константы электронного переноса производился с использованием теорий Маркуса, Ландау-Зинера и Геришера.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружено снижение барьеров адсорбции Ы+ и 02 на краю графена по сравнению с базальной плоскостью графена, что объясняется меньшей плотностью слоев растворителя на краю графена.

2. Полученные распределения электронных состояний модельных систем позволили интерпретировать положения характерных пиков в спектрах валентной зоны восстановленного оксида графена, содержащего карбонильные и карбоксильные группы.

3. Предложена методология и реализован программный код для расчета константы скорости переноса электрона с пространственным разрешением как в базисе атомных орбиталей, так и в базисе плоских волн.

4. Обнаружена пространственная локализация областей с повышенной константой скорости внешнесферного гетерогенного переноса электрона при внесении точечных и линейных дефектов в графене.

5. Ускорение кинетики переноса электрона при использовании золотой подложки под поверхностью однослойного графена теоретически объяснено гибридизацией электронных состояний графена и золота.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов атомистического моделирования, подробным анализом текущего состояния исследуемой области. Проведено сопоставление результатов с исследованиями других авторов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XXXI International Conference on Equations of State for Matter, 13-я Российская Школа-Симпозиум «Фундаментальные основы атомистического многомасштабного моделирования», Всероссийская научная конференция МФТИ (2015-2018), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломо-носов-2017», III Всероссийский научный форум «Наука будущего - наука молодых», XXXII International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, X International Conference for Young Chemists «Mendeleev-2017», XXXIII International Conference on Equations of State for Matter, Международная конференция-конкурс молодых физиков (2018-2019), III International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANAN0-2018, XV Международная конференция «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Научная Сессия «Фундамен-

тальные основы энергетики будущего», «Физическая химия в России и за рубежом: от квантовой химии до эксперимента», XI International Conference for Young Chemists «Mendeleev-2019», 14^ International conference «Advanced carbon nanostructures», 44-е Фрумкинские чтения, «Low-dimentional materials: Theory, Modeling, Experiment», 15^ International Conference «Advanced Carbon Nanostructures», XIV Международная научная конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах».

Результаты работы были отмечены на конкурсах научных работ: ОИВТ РАН 2015, 2017 и 2020 год - 3 место; МФТИ 2016 год - 3 место; СПбГУ «Менделеев - 2017» - 1 место; III Всероссийский научный форум «Наука будущего -наука молодых» 2017 год - 3 место; ФИАН Международная конференция молодых физиков 2019 год - 1 место; Премия Фрумкина - 2020 год.

По результатам исследований опубликовано 26 тезисов докладов.

Личный вклад. Все представленные в диссертации результаты и положения, выносимые на защиту, отражают личный вклад автора. Учет снижения активационного барьера на малых расстояниях между реагентом и поверхностью в рамках модели Андерсона—Ньюнса производился Р.Р. Назмутдиновым (КНИТУ). Обсуждение и сопоставление результатов расчетов электронной структуры функционализированных графенов с экспериментальными данными производилось с участием В.В. Шнитова и М.К. Рабчинского (ФТИ им. Иоффе). Расчет смещения энергии Ферми в процессе выравнивания электронных уровней с учетом квантовой емкости графена производился В.А. Кисленко (ОИВТ РАН, Сколтех). Постановка задачи, планирование работы и обсуждение результатов производилось совместно с научными руководителями.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 8 печатных изданиях, 8 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 8 —в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 134 страницы, включая 49 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 272 наименования.

Глава 1. Литературный обзор

В данной главе представлен обзор литературы, посвященной исследованию и применению углеродных наноматериалов в контексте электрохимических систем. В разделе 1.1 приводится общий обзор применения графена и материалов на его основе в электрохимических системах хранения и преобразования энергии. Кратко приведены различные методы получения графена и успехи его использования в топливных элементах, аккумуляторных батареях и суперконденсаторах. В разделе 1.2 сделан фокус на влияние структуры и состава углеродного материала в качестве электрода на транспорт и распределение реагентов в приэлектродной области, определяющиеся структурой и свойствами межфазной границы электрод-электролит, в частности приводятся данные о влиянии морфологии поверхности углеродного катода на характеристики литий-воздушных аккумуляторов. В разделе 1.3 сделан фокус на влияние морфологии поверхности графена и присутствия различных дефектов и примесей в графене на его электронные свойства, а также на электрокаталитическую активность поверхности графена по отношению к реакции гетерогенного переноса электрона в различных системах. Раздел 1.4 представляет краткий обзор расчетных методов, применяемых к исследованию систем на молекулярном уровне: метода молекулярной динамики (МЭ) и теорию функционала плотности (ЭРТ). Отдельно в разделе 1.5 уделено внимание развитию и современному состоянию теории гетерогенного переноса электрона.

Данный литературный обзор формулирует направление исследования, связанное с многомасштабным, многофакторным теоретическим анализом влияния морфологии графенового электрода на кинетику гетерогенных процессов в электрохимических системах с помощью методов атомистического моделирования. Сделаны выводы об актуальности исследования влияния различных дефектов в углеродных наноматериалах на электрохимические свойства в контексте их использования в качестве электродных материалов.

1.1 Использование углеродных материалов в электрохимических

приложениях

С момента открытия графена в 2004 году, этот материал привлекает огромное внимание в различных областях науки и технологий. Идеальный графен представляет из себя двухмерную поверхность, толщиной в один атомный слой, где каждый атом углерода находится в sp2 гибридизации и связан с тремя соседними атомами углерода с длиной связи в 1.42 A, выстраиваясь, таким образом, в гексагональную решетку. Нетривиальные электронные свойства, большая удельная площадь поверхности, химическая и механическая стабильность делают этот материал привлекательным в широком спектре приложений: композитные материалы, сенсоры, микроэлектроника, биомедицинские приложения, анти-коррозийные покрытия, электрохимические накопители и преобразователи энергии [1; 2; 54; 55]. В экспериментах и практических применениях помимо идеального однослойного графена, который не возможно использовать в промышленных масштабах, используются и другие формы графена, такие как: графеновые нанополоски и нанопластинки, графе-новые квантовые точки, восстановленный оксид графена, графеновый аэрогель и гидрогель. Существуют различные методы получения графена и материалов на его основе, отличающиеся морфологией и чистотой получаемого графена, а также стоимостью и объемами производства. Традиционно выделяют два типа методов: 1)«сверху-вниз» - механическое и химическое расслоение, восстановление оксида графена; 2)«снизу-вверх» - пиролиз, эпитаксиальный рост, осаждение из газовой фазы и плазмы [2; 56—58]. Метод осаждения из газовой фазы (CVD - chemical vapor deposition) наиболее удобен в производстве чистого однослойного графена, однако не может использоваться в коммерческих приложениях из-за высокой стоимости. При этом, метод восстановления оксида графена считается одним из наиболее простых и дешевых для производства графена и его производных.

Отдельно можно выделить успехи в применение графена в области электрохимических накопителей и преобразователей энергии [2]. К таким устройствам относятся: аккумуляторные батареи, топливные элементы, солнечные ячейки, суперконденсаторы и устройства электрохимического разделения воды. Активное развитие этой области последнее десятилетие объясняется

спросом на такие устройства со стороны рынков возобновляемой энергетики, электромобилей и портативной электроники.

В области топливных элементов графен широко используется в основном в качестве материала для основы катализатора (catalyst support). Из-за большей удельной площади графена по сравненению с другими углеродными материалами, использование графена позволяет снизить расход платины. Кроме того, использование графена увеличивает проводимость, также сообщается о хорошем распределении платины по поверхности графена, что также уменьшает расход платины и увеличивает стабильность катализатора [59—61].

Также рассматривается переход от катализаторов на основе платины к бесплатиновым катализаторам на основе графена. Так, например, показано, что графен допированный азотом, серой, бором и фосфором проявляет каталитическую активность в реакции восстановления кислорода [10; 12—14; 62—64]. Допирование атомами переходных металлов, такими как, например, кобальт и железо также увеличивает электрокаталитическую активность графена [65]. Кроме того, сообщается об электрокаталитической активности композита из графена и углеродных нанотрубок [66; 67], препятствующих слипанию графеновых слоев, что является распространенной проблемой при синтезе восстановленного оксида графена (rGO) методом Хаммерса.

Есть попытки использования графена в литий-ионных аккумуляторов в качестве анодного материала. Традиционно в качестве анода используется графит, который обеспечивает содержание лития при интекаляции с образованием LiC6, что обеспечивает 372 мАч/г [68]. Графен, содержащий краевые сайты и вакансии может увеличить предельную емкость анода [69—71].

Перспективной областью использования графеновых материалов также являются металл-воздушные аккумуляторы, для которых необходим пористый углеродный катод, обеспечивающий высокую удельную площадь поверхности и электрокаталитическую активность по отношению к реакции восстановления кислорода [72; 73].

В области суперконденсаторов графен также находит широкое применение в качестве электродов. Причем, используются графены различной морфологии, такие как: отдельные частицы или графеновые точки, графеновые волокна, графеновые листы и пленки, эарогели, графеновые губки [74—78]. При этом, применяется графен как в двойнослойных суперконденсаторах (EDLC -

electric double-layer capacitors), так и в псевдоконденсаторах, в которых помимо двойнослойной емкости важное значение играют Фарадеевские процессы.

Популярным направлением исследований в последние годы стала модификация графена различными функциональными группами и гетероатомами. Во многих работах показано улучшение свойств графеновых материалов при внедрении гетероатомов в различных областях применения графена: суперконденсаторах, батареях, топливных элементах, устройствах расщепления воды и солнечных ячейках [79]. Выделяют следующие преимущества допированных графенов [80—85]:

1. Включение гетероатомов создает большое количество активных центров, увеличивая реакционную способность, особенно на базальной плоскости графена.

2. Включение гетероатомов в решетку графена может увеличивать электронную проводимость графена.

3. Создание дефектов при допировании гетероатомами делает структуру графена высокопористой, что повышает доступность поверхности для ионов электролита.

4. В процессе совместного допирования несколькими типами атомов проявляются синергетические эффекты между допирующими примесями, что может улучшить электрохимические свойства.

5. В области суперконденсаторов гетероатомы генерируют псевдоемкость, которая вносит свой вклад в общую емкость устройств.

6. Допирование гетероатомами увеличивает площадь поверхности, изменяя морфологию краев графена. Например, большая площадь поверхности и дополнительные активные центры допированного азотом графена увеличивают его электрокаталитическую активность по отношению к реакции восстановления кислорода [86].

7. Допирование улучшает смачиваемость графеновых материалов, что важно не только для устройств, но и для большинства методов химической обработки.

Значительный прогресс сделан в области синтеза различных производных графена, содержащих гетероатомы. Наиболее универсальной производной графена является оксид графена (GO - graphene oxide), который содержит гид-роксильные и эпоксидные функциональные группы на базальной плоскости и

карбонильные и карбоксильные группы по краям. При этом, кислородсодержащие группы легко модифицируются физической и химической обработкой, что делает оксид графена очень удобным прекурсором для допированного гра-фена [87—90; 265; 91]. В ряде исследований авторы используют одновременное допирование и восстановление оксида графена, поскольку удаление кислородсодержащих групп создает удобные реакционные центры для легкого внедрения гетероатомов. Модифицированная электронная структура допированного rGO (reduced graphene oxyde) использовалась для улучшения электрохимических характеристик устройств во многих приложениях, включая хранение и преобразование энергии [92—95].

Перспективной областью исследований является также анализ влияния внутренних дефектов поверхности графена на свойства материала. Точечные и линейные дефекты, такие как вакансии, дефекты Стоуна-Уэльса, границы зерен, края графена и др. могут оказывать существенное влияние на свойства графена. Они влияют на распределение заряда и приводят к образованию локализованных неспаренных электронов, существенно меняя электронные свойства графена и увеличивая его электрокаталитическую активность [5]. При этом, наблюдается растущий интерес к возможности управлять электронными свойствами графена с помощью увеличения количества дефектов и краевых сайтов, вместо допирования гетероатомами [15; 92; 96; 97]. Например, сообщается о даже большей электрокаталитической активности вакансий по сравнению с допированием азотом [98].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлов Сергей Владимирович, 2023 год

Список литературы

1. Graphene research and their outputs: Status and prospect / S. K. Tiwari [и др.] // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. — 2020. — Т. 5, № 1. — С. 10—29.

2. Application of graphene in energy storage device-A review / A. G. Olabi [и др.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2021. — Т. 135. — С. 110026.

3. The electronic properties of graphene / A. C. Neto [и др.] // Reviews of modern physics. — 2009. — Т. 81, № 1. — С. 109.

4. Geim, A. K. The rise of graphene / A. K. Geim, K. S. Novoselov // Nanoscience and technology: a collection of reviews from nature journals. — World Scientific, 2010. — С. 11—19.

5. Komeily-Nia, Z. Progress in the Understanding and Applications of the Intrinsic Reactivity of Graphene-Based Materials / Z. Komeily-Nia, L.-T. Qu, J.-L. Li // Small Science. — 2021. — Т. 1, № 2. — С. 2000026.

6. Patten, H. V. Electrochemistry of graphene / H. V. Patten, M. Velicky, R. A. Dryfe // Electrochemistry of Carbon Electrodes. — 2015. — С. 121—162.

7. Velicky, M. Electrochemistry of 2D nanomaterials / M. Velicky, R. A. Dryfe // Frontiers of Nanoscience. Т. 18. — Elsevier, 2021. — С. 485—536.

8. Role of lattice defects in catalytic activities of graphene clusters for fuel cells / L. Zhang [и др.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2015. — Т. 17, № 26. — С. 16733—16743.

9. Kislenko, V. A. Influence of defects in graphene on electron transfer kinetics: The role of the surface electronic structure / V. A. Kislenko, S. V. Pavlov, S. A. Kislenko // Electrochimica Acta. — 2020. — Т. 341. — С. 136011.

10. Phosphorus-doped graphite layers with high electrocatalytic activity for the O2 reduction in an alkaline medium / Z.-W. Liu [и др.] // Angewandte Chemie International Edition. — 2011. — Т. 50, № 14. — С. 3257—3261.

11. Progress in non-platinum catalysts with applications in low temperature fuel cells / J. Zhang [и др.] // Chinese Journal of Catalysis. — 2013. — Т. 34, № 6. — С. 1051—1065.

12. Nitrogen-doped carbon nanosheets with size-defined mesopores as highly efficient metal-free catalyst for the oxygen reduction reaction / W. Wei [и др.] // Angewandte Chemie. — 2014. — Т. 126, № 6. — С. 1596—1600.

13. Boron-doped carbon nanotubes as metal-free electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / L. Yang [и др.] // Angewandte Chemie International Edition. — 2011. — Т. 50, № 31. — С. 7132—7135.

14. Sulfur-doped graphene as an efficient metal-free cathode catalyst for oxygen reduction / Z. Yang [и др.] // ACS nano. — 2012. — Т. 6, № 1. — С. 205—211.

15. Significant contribution of intrinsic carbon defects to oxygen reduction activity / Y. Jiang [и др.] // Acs Catalysis. — 2015. — Т. 5, № 11. — С. 6707—6712.

16. Quantitative correlation between defect density and heterogeneous electron transfer rate of single layer graphene / J.-H. Zhong [и др.] // Journal of the American Chemical Society. — 2014. — Т. 136, № 47. — С. 16609—16617.

17. Progress in nonmetal-doped graphene electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / Y. Shao [и др.] // ChemSusChem. — 2019. — Т. 12, № 10. — С. 2133—2146.

18. Graphene defects trap atomic Ni species for hydrogen and oxygen evolution reactions / L. Zhang [и др.] // Chem. — 2018. — Т. 4, № 2. — С. 285—297.

19. Graphene nanoarchitectonics: recent advances in graphene-based electrocatalysts for hydrogen evolution reaction / H. Huang [и др.] // Advanced Materials. — 2019. — Т. 31, № 48. — С. 1903415.

20. Defective graphene for electrocatalytic CO2 reduction / P. Han [и др.] // Journal of colloid and interface science. — 2019. — Т. 534. — С. 332—337.

21. Kinetic modulation of outer-sphere electron transfer reactions on graphene electrode with a sub-surface metal substrate / J. Hui [и др.] // Electrochimica Acta. — 2016. — Т. 211. — С. 1016—1023.

22. Graphene electrochemistry:'Adiabaticity'of electron transfer / A. I. Inozemtseva [и др.] // Electrochimica Acta. — 2022. — Т. 427. — С. 140901.

23. Adiabatic versus non-adiabatic electron transfer at 2D electrode materials / D.-Q. Liu [h gp.] // Nature Communications. — 2021. — T. 12, № 1. — C. 1—11.

24. Electron transfer kinetics on mono-and multilayer graphene / M. Velicky [h gp.] // ACS nano. — 2014. — T. 8, № 10. — C. 10089—10100.

25. Levich, V. Kinetics of reactions with charge transfer / V. Levich. — NY: Acad. Press, 1970.

26. Dogonadze, R. Reactions of Electrons at Electrodes / R. Dogonadze. — 1971.

27. Kuznetsov, A. Charge Transfer in Physics / A. Kuznetsov // Chemistry and Biology. — 1995. — T. 385.

28. Schmickler, W. Electron transfer rates in the levich and dogonadze theory of redox reactions / W. Schmickler, W. Vielstich // Electrochimica Acta. — 1973. — T. 18, № 11. — C. 883—888.

29. Landau, L. On the theory of transfer of energy at collisions II / L. Landau // Phys. Z. Sowjetunion. — 1932. — T. 2, № 46. — C. 118.

30. Zener, C. Non-adiabatic crossing of energy levels / C. Zener // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. — 1932. — T. 137, № 833. — C. 696—702.

31. Wittig, C. The landau- zener formula / C. Wittig // The Journal of Physical Chemistry B. — 2005. — T. 109, № 17. — C. 8428—8430.

32. Crossover between the adiabatic and nonadiabatic electron transfer limits in the Landau-Zener model / G. Y. Zhu [h gp.] // Nature communications. — 2021. — T. 12, № 1. — C. 1—10.

33. Über den Ablauf von Redoxreaktionen an Metallen und an Halbleitern // Zeitschrift für Physikalische Chemie. — 1960. — T. 26, № 3. — C. 223—247.

34. Recent progress on multiscale modeling of electrochemistry / X.-H. Yang [h gp.] // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. — 2022. — T. 12, № 1. — e1559.

35. Calle-Vallejo, F. First-principles computational electrochemistry: Achievements and challenges / F. Calle-Vallejo, M. T. Koper // Electrochimica Acta. — 2012. — T. 84. — C. 3—11.

36. Fedorov, M. V. Probing the neutral graphene-ionic liquid interface: insights from molecular dynamics simulations / M. V. Fedorov, R. Lynden-Bell // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2012. — T. 14, № 8. — C. 2552—2556.

37. Lynden-Bell, R. M. Electrode screening by ionic liquids / R. M. Lynden-Bell, A. Frolov, M. V. Fedorov // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2012. — T. 14, № 8. — C. 2693—2701.

38. Fedorov, M. V. Ionic liquids at electrified interfaces / M. V. Fedorov, A. A. Kornyshev // Chemical reviews. — 2014. — T. 114, № 5. — C. 2978—3036.

39. Kislenko, S. A. Molecular dynamics simulation of the electrochemical interface between a graphite surface and the ionic liquid [BMIM][PF 6] / S. A. Kislenko, I. S. Samoylov, R. H. Amirov // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2009. — T. 11, № 27. — C. 5584—5590.

40. Kislenko, S. A. Influence of temperature on the structure and dynamics of the [BMIM][PF 6] ionic liquid/graphite interface / S. A. Kislenko, R. H. Amirov, I. S. Samoylov // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2010. — T. 12, № 37. — C. 11245—11250.

41. Santos, E. Models of Electron Transfer at Different Electrode Materials / E. Santos, W. Schmickler // Chemical Reviews. — 2022.

42. Modeling of electron transfer across electrochemical interfaces: State-of-the art and challenges for quantum and computational chemistry / R. R. Nazmutdinov [h gp.] // International Journal of Quantum Chemistry. — 2016. — T. 116, № 3. — C. 189—201.

43. Ulstrup, J. Charge transfer processes in condensed media. T. 10 / J. Ulstrup. — Springer Science & Business Media, 2012.

44. Santos, E. Electron transfer at different electrode materials: Metals, semiconductors, and graphene / E. Santos, R. Nazmutdinov, W. Schmickler // Current opinion in electrochemistry. — 2020. — T. 19. — C. 106—112.

45. Nazmutdinov, R. R. Electron transfer across the graphene electrode/solution interface: interplay between different kinetic regimes / R. R. Nazmutdinov, M. D. Bronshtein, E. Santos // The Journal of Physical Chemistry C. — 2019. — T. 123, № 19. — C. 12346—12354.

46. Electronic couplings for molecular charge transfer: Benchmarking CDFT, FODFT, and FODFTB against high-level ab initio calculations / A. Kubas [h gp.] // The Journal of chemical physics. — 2014. — T. 140, № 10. — C. 104105.

47. Electronic couplings for molecular charge transfer: benchmarking CDFT, FODFT and FODFTB against high-level ab initio calculations. II / A. Kubas [h gp.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2015. — T. 17, № 22. — C. 14342—14354.

48. Bentley, C. L. Scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) in aprotic solvents: Practical considerations and applications / C. L. Bentley, M. Kang, P. R. Unwin // Analytical Chemistry. — 2020. — T. 92, № 17. — C. 11673—11680.

49. Localized high resolution electrochemistry and multifunctional imaging: Scanning electrochemical cell microscopy / N. Ebejer [h gp.] // Analytical chemistry. — 2010. — T. 82, № 22. — C. 9141—9145.

50. Electrochemistry at carbon nanotube forests: sidewalls and closed ends allow fast electron transfer / T. S. Miller [h gp.] // Chemical Communications. — 2012. — T. 48, № 60. — C. 7435—7437.

51. Unwin, P. R. Nanoscale electrochemistry of sp2 carbon materials: from graphite and graphene to carbon nanotubes / P. R. Unwin, A. G. Giiell, G. Zhang // Accounts of chemical research. — 2016. — T. 49, № 9. — C. 2041—2048.

52. Structural correlations in heterogeneous electron transfer at monolayer and multilayer graphene electrodes / A. G. Giiell [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2012. — T. 134, № 17. — C. 7258—7261.

53. Redox-dependent spatially resolved electrochemistry at graphene and graphite step edges / A. G. Giiell [h gp.] // ACS nano. — 2015. — T. 9, № 4. — C. 3558—3571.

54. Magical allotropes of carbon: prospects and applications / S. K. Tiwari [h gp.] // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. — 2016. — T. 41, № 4. — C. 257—317.

55. Evolution of graphene oxide and graphene: from imagination to industrialization / S. K. Tiwari [и др.] // ChemNanoMat. — 2018. — Т. 4, № 7. — С. 598—620.

56. Shams, S. S. Graphene synthesis: a Review / S. S. Shams, R. Zhang, J. Zhu // Mater. Sci. Pol. — 2015. — Т. 33, № 3. — С. 566—578.

57. Top-down synthesis of graphene: A comprehensive review / N. Kumar [и др.] // FlatChem. — 2021. — Т. 27. — С. 100224.

58. Synthesis of graphene and its applications: a review / W. Choi [и др.] // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. — 2010. — Т. 35, № 1. — С. 52—71.

59. Ultrathin yet transferrable Pt-or PtRu-decorated graphene films as efficient electrocatalyst for methanol oxidation reaction / Z. Tao [и др.] // Science China Materials. — 2019. — Т. 62, № 2. — С. 273—282.

60. Mesocrystal PtRu supported on reduced graphene oxide as catalysts for methanol oxidation reaction / Y. Shi [и др.] // Journal of colloid and interface science. — 2019. — Т. 557. — С. 729—736.

61. A 3D network structured reduced graphene oxide/PtRu alloyed composite catalyst in-situ assembled via particle-constructing method / Y. Ji [и др.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. — 2019. — Т. 561. — С. 292—300.

62. Nitrogen-doped ordered mesoporous graphitic arrays with high electrocatalytic activity for oxygen reduction / R. Liu [и др.] // Angewandte Chemie. — 2010. — Т. 122, № 14. — С. 2619—2623.

63. Nitrogen-doped graphene nanosheets as cathode materials with excellent electrocatalytic activity for high capacity lithium-oxygen batteries / Y. Li [и др.] // Electrochemistry Communications. — 2012. — Т. 18. — С. 12—15.

64. Bamboo-like carbon nanotube/Fe3C nanoparticle hybrids and their highly efficient catalysis for oxygen reduction / W. Yang [и др.] // Journal of the American Chemical Society. — 2015. — Т. 137, № 4. — С. 1436—1439.

65. Orellana, W. Catalytic properties of transition metal-N4 moieties in graphene for the oxygen reduction reaction: evidence of spin-dependent mechanisms / W. Orellana // The Journal of Physical Chemistry C. — 2013. — Т. 117, № 19. — С. 9812—9818.

66. Porous graphene/carbon nanotube composite cathode for proton exchange membrane fuel cell / Y. S. Yun [h gp.] // Synthetic Metals. — 2011. — T. 161, № 21/22. — C. 2460—2465.

67. An oxygen reduction electrocatalyst based on carbon nanotube-graphene complexes / Y. Li [h gp.] // Nature nanotechnology. — 2012. — T. 7, № 6. — C. 394—400.

68. Characterization of modified NG7 graphite as an improved anode for lithiumion batteries / C. Menachem [h gp.] // Journal of power sources. — 1997. — T. 68, № 2. — C. 277—282.

69. Gong, J. Structural and electrochemical properties of disordered carbon prepared by the pyrolysis of poly (p-phenylene) below 1000° C for the anode of a lithium-ion battery / J. Gong, H. Wu, Q. Yang // Carbon. — 1999. — T. 37, № 9. — C. 1409—1416.

70. Li+ storage sites in non-graphitizable carbons prepared from methylnaphthalene-derived isotropic pitches / C. W. Park [h gp.] // Carbon. — 2000. — T. 38,

№ 7. — C. 995—1001.

71. Reconfiguring graphene for high-performance metal-ion battery anodes / S. Wang [h gp.] // Energy Storage Materials. — 2019. — T. 16. — C. 619—624.

72. Oxygen reduction reaction catalyst on lithium/air battery discharge performance / X. Ren [h gp.] // Journal of Materials Chemistry. — 2011. — T. 21, № 27. — C. 10118—10125.

73. Hierarchically porous graphene as a lithium-air battery electrode / J. Xiao [h gp.] // Nano letters. — 2011. — T. 11, № 11. — C. 5071—5078.

74. Achieving high specific charge capacitances in Fe 3 O 4/reduced graphene oxide nanocomposites / W. Shi [h gp.] // Journal of Materials Chemistry. — 2011. — T. 21, № 10. — C. 3422—3427.

75. Supercapacitors based on conducting polymers/nanotubes composites / E. Frackowiak [h gp.] // Journal of Power Sources. — 2006. — T. 153, № 2. — C. 413—418.

76. Kotz, R. Principles and applications of electrochemical capacitors / R. Kotz, M. Carlen // Electrochimica acta. — 2000. — T. 45, № 15/16. — C. 2483—2498.

77. Anion and cation substitution in transition-metal oxides nanosheets for highperformance hybrid supercapacitors / J. Li [h gp.] // Nano Energy. — 2019. — T. 57. — C. 22—33.

78. Electrochemical performances of nanoparticle Fe3O4/activated carbon supercapacitor using KOH electrolyte solution / X. Du [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2009. — T. 113, № 6. — C. 2643—2646.

79. Heteroatom doped graphene engineering for energy storage and conversion / R. Kumar [h gp.] // Materials Today. — 2020. — T. 39. — C. 47—65.

80. Heteroatom-doped carbonaceous electrode materials for high performance energy storage devices / A. Shah [h gp.] // Sustainable Energy & Fuels. — 2018. — T. 2, № 7. — C. 1398—1429.

81. Doped graphenes as anodes with large capacity for lithium-ion batteries / L. Zhou [h gp.] // Journal of Materials Chemistry A. — 2016. — T. 4, № 35. — C. 13407—13413.

82. Heteroatom-doped graphene-based materials for energy-relevant electrocatalytic processes / J. Duan [h gp.] // Acs Catalysis. — 2015. — T. 5, № 9. — C. 5207—5234.

83. Scalable salt-templated synthesis of nitrogen-doped graphene nanosheets toward printable energy storage / N. Wei [h gp.] // ACS nano. — 2019. — T. 13, № 7. — C. 7517—7526.

84. Sustainable energy recovery in wastewater treatment by microbial fuel cells: stable power generation with nitrogen-doped graphene cathode / Y. Liu [h gp.] // Environmental science & technology. — 2013. — T. 47, № 23. — C. 13889—13895.

85. Zhao, J. Theoretical designs of photoresponsive energy-storage materials based on attachment of n-conjugated molecules onto sulfur-doped graphene / J. Zhao, J. Ma // The Journal of Physical Chemistry C. — 2016. — T. 120, № 43. — C. 25131—25141.

86. N-doped graphene frameworks with superhigh surface area: excellent electrocatalytic performance for oxygen reduction / H. Cui [h gp.] // Nanoscale. — 2016. — T. 8, № 5. — C. 2795—2803.

87. Pei, S. The reduction of graphene oxide / S. Pei, H.-M. Cheng // Carbon. — 2012. — T. 50, № 9. — C. 3210—3228.

88. Pumera, M. Graphene-based nanomaterials and their electrochemistry / M. Pumera // Chemical Society Reviews. — 2010. — T. 39, № 11. — C. 4146—4157.

89. Singh, R. K. Graphene oxide: strategies for synthesis, reduction and frontier applications / R. K. Singh, R. Kumar, D. P. Singh // Rsc Advances. — 2016. — T. 6, № 69. — C. 64993—65011.

90. From graphene oxide towards aminated graphene: Facile synthesis, its structure and electronic properties / M. K. Rabchinskii [h gp.] // Scientific reports. — 2020. — T. 10, № 1. — C. 1—12.

91. A Blueprint for the Synthesis and Characterization of Thiolated Graphene / M. K. Rabchinskii [h gp.] // Nanomaterials. — 2021. — T. 12, № 1. — C. 45.

92. Edge-rich and dopant-free graphene as a highly efficient metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction / L. Tao [h gp.] // Chemical communications. — 2016. — T. 52, № 13. — C. 2764—2767.

93. A facile synthesis of nitrogen/sulfur co-doped graphene for the oxygen reduction reaction / F. Pan [h gp.] // ChemCatChem. — 2016. — T. 8, № 1. — C. 163—170.

94. Electrocatalytic oxygen reduction on nitrogen-doped graphene in alkaline media / M. Vikkisk [h gp.] // Applied Catalysis B: Environmental. — 2014. — T. 147. — C. 369—376.

95. Robust and Flexible Micropatterned Electrodes and Micro-Supercapacitors in Graphene-Silk Biopapers / R. Ma [h gp.] // Advanced Materials Interfaces. — 2018. — T. 5, № 24. — C. 1801203.

96. Defect graphene as a trifunctional catalyst for electrochemical reactions / Y. Jia [h gp.] // Advanced materials. — 2016. — T. 28, № 43. — C. 9532—9538.

97. Topological defects in metal-free nanocarbon for oxygen electrocatalysis / C. Tang [h gp.] // Advanced materials. — 2016. — T. 28, № 32. — C. 6845—6851.

98. Carbon for the oxygen reduction reaction: a defect mechanism / H. Zhao [h gp.] // Journal of Materials Chemistry A. — 2015. — T. 3, № 22. — C. 11736—11739.

99. Ulvestad, A. A brief review of current lithium ion battery technology and potential solid state battery technologies / A. Ulvestad // arXiv preprint arXiv:1803.04317. — 2018.

100. Crabtree, G. The energy-storage frontier: Lithium-ion batteries and beyond / G. Crabtree, E. Kocs, L. Trahey // Mrs Bulletin. — 2015. — T. 40, № 12. — C. 1067—1078.

101. Current challenges and routes forward for nonaqueous lithium-air batteries / T. Liu [h gp.] // Chemical reviews. — 2020. — T. 120, № 14. — C. 6558—6625.

102. In situ infrared spectroscopy study of PYR14TFSI ionic liquid stability for Li-O2 battery / N. Mozhzhukhina [h gp.] // Journal of The Electrochemical Society. — 2017. — T. 164, № 2. — A518.

103. A review of high energy density lithium-air battery technology / M. Rahman, X. Wang, C. Wen [h gp.] // Journal of Applied Electrochemistry. — 2014. — T. 44, № 1. — C. 5—22.

104. The lithium/air battery: still an emerging system or a practical reality? / L. Grande [h gp.] // Advanced materials. — 2015. — T. 27, № 5. — C. 784—800.

105. Abraham, K. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery / K. Abraham, Z. Jiang // Journal of the Electrochemical Society. — 1996. — T. 143, № 1. — C. 1.

106. Sandhu, S. S. Diffusion-limited model for a lithium/air battery with an organic electrolyte / S. S. Sandhu, J. P. Fellner, G. W. Brutchen // Journal of Power Sources. — 2007. — T. 164, № 1. — C. 365—371.

107. Yang, X.-h. Preparation of mesocellular carbon foam and its application for lithium/oxygen battery / X.-h. Yang, P. He, Y.-y. Xia // Electrochemistry Communications. — 2009. — T. 11, № 6. — C. 1127—1130.

108. Mirzaeian, M. Preparation of controlled porosity carbon aerogels for energy storage in rechargeable lithium oxygen batteries / M. Mirzaeian, P. J. Hall // Electrochimica Acta. — 2009. — T. 54, № 28. — C. 7444—7451.

109. Mirzaeian, M. Characterizing capacity loss of lithium oxygen batteries by impedance spectroscopy / M. Mirzaeian, P. J. Hall // Journal of Power Sources. — 2010. — T. 195, № 19. — C. 6817—6824.

110. Tran, C. Investigation of the gas-diffusion-electrode used as lithium/air cathode in non-aqueous electrolyte and the importance of carbon material porosity / C. Tran, X.-Q. Yang, D. Qu // Journal of Power Sources. — 2010. — T. 195, № 7. — C. 2057—2063.

111. Superior energy capacity of graphene nanosheets for a nonaqueous lithium-oxygen battery / Y. Li [h gp.] // Chemical Communications. — 2011. — T. 47, № 33. — C. 9438—9440.

112. Electrochemical performance of highly mesoporous nitrogen doped carbon cathode in lithium-oxygen batteries / P. Kichambare [h gp.] // Journal of Power Sources. — 2011. — T. 196, № 6. — C. 3310—3316.

113. Kichambare, P. Mesoporous nitrogen-doped carbon-glass ceramic cathodes for solid-state lithium-oxygen batteries / P. Kichambare, S. Rodrigues, J. Kumar // ACS applied materials & interfaces. — 2012. — T. 4, № 1. — C. 49—52.

114. Nitrogen-doped carbon nanotubes as cathode for lithium-air batteries / Y. Li [h gp.] // Electrochemistry Communications. — 2011. — T. 13, № 7. — C. 668—672.

115. Electrocatalysis at graphite and carbon nanotube modified electrodes: edge-plane sites and tube ends are the reactive sites / C. E. Banks [h gp.] // Chemical Communications. — 2005. — № 7. — C. 829—841.

116. Davies, T. J. Nanotrench arrays reveal insight into graphite electrochemistry / T. J. Davies, M. E. Hyde, R. G. Compton // Angewandte Chemie. — 2005. — T. 117, № 32. — C. 5251—5256.

117. Banks, C. E. New electrodes for old: from carbon nanotubes to edge plane pyrolytic graphite / C. E. Banks, R. G. Compton // Analyst. — 2006. — T. 131, № 1. — C. 15—21.

118. Ambrosi, A. Electrochemistry of folded graphene edges / A. Ambrosi, A. Bonanni, M. Pumera // Nanoscale. — 2011. — T. 3, № 5. — C. 2256—2260.

119. The edge-and basal-plane-specific electrochemistry of a single-layer graphene sheet / W. Yuan [h gp.] // Scientific reports. — 2013. — T. 3, № 1. — C. 1—7.

120. Electrochemistry at the edge of a single graphene layer in a nanopore / S. Banerjee [h gp.] // ACS nano. — 2013. — T. 7, № 1. — C. 834—843.

121. Banks, C. E. Exploring the electrocatalytic sites of carbon nanotubes for NADH detection: an edge plane pyrolytic graphite electrode study / C. E. Banks, R. G. Compton // Analyst. — 2005. — T. 130, № 9. — C. 1232—1239.

122. Demonstration of the importance of oxygenated species at the ends of carbon nanotubes for their favourable electrochemical properties / A. Chou [h gp.] // Chemical communications. — 2005. — № 7. — C. 842—844.

123. Cline, K. K. Anomalously slow electron transfer at ordered graphite electrodes: influence of electronic factors and reactive sites / K. K. Cline, M. T. McDermott, R. L. McCreery // The Journal of Physical Chemistry. — 1994. — T. 98, № 20. — C. 5314—5319.

124. Kislenko, S. A. Effect of cations on the TiO2/acetonitrile interface structure: A molecular dynamics study / S. A. Kislenko, R. H. Amirov, I. S. Samoylov // The Journal of Physical Chemistry C. — 2013. — T. 117, № 20. — C. 10589—10596.

125. Ferrocene/ferrocenium redox couple at Au (111)/ionic liquid and Au (111)/acetonitrile interfaces: a molecular-level view at the elementary act / V. A. Nikitina [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2014. — T. 118, № 12. — C. 6151—6164.

126. Kislenko, S. A molecular dynamics study of the ionic and molecular permeability of alkanethiol monolayers on the gold electrode surface / S. Kislenko, V. Nikitina, R. Nazmutdinov // High Energy Chemistry. — 2015. — T. 49, № 5. — C. 341—346.

127. Kislenko, S. A. When do defectless alkanethiol SAMs in ionic liquids become penetrable? A molecular dynamics study / S. A. Kislenko, V. A. Nikitina, R. R. Nazmutdinov // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2015. — T. 17, № 47. — C. 31947—31955.

128. Molecular dynamics simulations of the interactions between water and inorganic solids / S. Kerisit [h gp.] // Journal of Materials Chemistry. — 2005. — T. 15, № 14. — C. 1454—1462.

129. Sieffert, N. Ordering of imidazolium-based ionic liquids at the a-quartz (001) surface: a molecular dynamics study / N. Sieffert, G. Wipff // The Journal of Physical Chemistry C. — 2008. — T. 112, № 49. — C. 19590—19603.

130. Atkin, R. Structure in confined room-temperature ionic liquids / R. Atkin,

G. G. Warr // The Journal of Physical Chemistry C. — 2007. — T. 111, № 13. — C. 5162—5168.

131. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / K. S. Novoselov [h gp.] // nature. — 2005. — T. 438, № 7065. — C. 197—200.

132. Antolini, E. Graphene as a new carbon support for low-temperature fuel cell catalysts / E. Antolini // Applied Catalysis B: Environmental. — 2012. — T. 123. — C. 52—68.

133. Su, H. Recent advances in graphene-based materials for fuel cell applications /

H. Su, Y. H. Hu // Energy Science & Engineering. — 2021. — T. 9, № 7. — C. 958—983.

134. Graphene-based materials for flexible supercapacitors / Y. Shao [h gp.] // Chemical Society Reviews. — 2015. — T. 44, № 11. — C. 3639—3665.

135. Graphene-like porous carbon nanosheets derived from salvia splendens for high-rate performance supercapacitors / B. Liu [h gp.] // Journal of Power Sources. — 2018. — T. 397. — C. 1—10.

136. All-graphene-battery: bridging the gap between supercapacitors and lithium ion batteries / H. Kim [h gp.] // Scientific reports. — 2014. — T. 4, № 1. — C. 1—8.

137. Preparation of different heteroatom doped graphene oxide based electrodes by electrochemical method and their supercapacitor applications / M. B. Arvas [h gp.] // Journal of Energy Storage. — 2021. — T. 35. — C. 102328.

138. Graphene and graphene-based materials for energy storage applications / J. Zhu [h gp.] // Small. — 2014. — T. 10, № 17. — C. 3480—3498.

139. Pd-Pt bimetallic nanodendrites with high activity for oxygen reduction /

B. Lim [h gp.] // science. — 2009. — T. 324, № 5932. — C. 1302—1305.

140. Single-wall carbon nanotubes supported platinum nanoparticles with improved electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction / A. Kongkanand [h gp.] // Langmuir. — 2006. — T. 22, № 5. — C. 2392—2396.

141. High rates of oxygen reduction over a vapor phase-polymerized PEDOT electrode / B. Winther-Jensen [h gp.] // Science. — 2008. — T. 321, № 5889. —

C. 671—674.

142. Electrocatalytic activity of nitrogen-doped carbon nanotube cups / Y. Tang [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2009. — T. 131, № 37. — C. 13200—13201.

143. Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activity for oxygen reduction / K. Gong [h gp.] // science. — 2009. — T. 323, № 5915. — C. 760—764.

144. Cockayne, E. Graphing and grafting graphene: Classifying finite topological defects / E. Cockayne // Physical Review B. — 2012. — T. 85, № 12. — C. 125409.

145. Missing atom as a source of carbon magnetism / M. M. Ugeda [h gp.] // Physical Review Letters. — 2010. — T. 104, № 9. — C. 096804.

146. Investigation of modified basal plane pyrolytic graphite electrodes: definitive evidence for the electrocatalytic properties of the ends of carbon nanotubes / C. E. Banks [h gp.] // Chemical Communications. — 2004. — № 16. — C. 1804—1805.

147. Bowling, R. J. Activation of highly ordered pyrolytic graphite for heterogeneous electron transfer: relationship between electrochemical performance and carbon microstructure / R. J. Bowling, R. T. Packard, R. L. McCreery // Journal of the American Chemical Society. — 1989. — T. 111, № 4. — C. 1217—1223.

148. Rice, R. J. Quantitative relationship between electron transfer rate and surface microstructure of laser-modified graphite electrodes / R. J. Rice, R. L. McCreery // Analytical Chemistry. — 1989. — T. 61, № 15. — C. 1637—1641.

149. The cyclic voltammetric response of electrochemically heterogeneous surfaces / T. J. Davies [h gp.] // Journal of Electroanalytical Chemistry. — 2004. — T. 574, № 1. — C. 123—152.

150. A linear graphene edge nanoelectrode / K. Li [h gp.] // Chemical Communications. — 2015. — T. 51, № 42. — C. 8765—8768.

151. Definitive evidence for fast electron transfer at pristine basal plane graphite from high-resolution electrochemical imaging / S. C. Lai [h gp.] // Angewandte Chemie International Edition. — 2012. — T. 51, № 22. — C. 5405—5408.

152. A new view of electrochemistry at highly oriented pyrolytic graphite / A. N. Patel [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2012. — T. 134, № 49. — C. 20117—20130.

153. Kariuki, J. K. Nucleation and growth of functionalized aryl films on graphite electrodes / J. K. Kariuki, M. T. McDermott // Langmuir. — 1999. — T. 15, № 19. — C. 6534—6540.

154. Mechanism of oxygen reduction in aprotic li-air batteries: the role of carbon electrode surface structure / A. I. Belova [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2017. — T. 121, № 3. — C. 1569—1577.

155. Electrode kinetics at carbon electrodes and the density of electronic states / R. Nissim [h gp.] // Chemical Communications. — 2012. — T. 48, № 27. — C. 3294—3296.

156. Luque, N. B. Are the reactions of quinones on graphite adiabatic? / N. B. Luque, W. Schmickler // Electrochimica Acta. — 2013. — T. 88. — C. 892—894.

157. Reply to comments contained in "Are the reactions of quinones on graphite adiabatic?", by NB Luque, W. Schmickler [Electrochim. Actaxx (2012) yyy] / C. Batchelor-McAuley [h gp.] // Electrochimica Acta. — 2013. — T. 88. — C. 895—898.

158. Understanding and controlling the substrate effect on graphene electron-transfer chemistry via reactivity imprint lithography / Q. H. Wang [h gp.] // Nature chemistry. — 2012. — T. 4, № 9. — C. 724—732.

159. First-principles study of the interaction and charge transfer between graphene and metals / P. Khomyakov [h gp.] // Physical Review B. — 2009. — T. 79, № 19. — C. 195425.

160. Electrocatalytic activity of individual Pt nanoparticles studied by nanoscale scanning electrochemical microscopy / J. Kim [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2016. — T. 138, № 27. — C. 8560—8568.

161. Scanning probe microscopy for nanoscale electrochemical imaging / Y. Takahashi [h gp.] // Analytical chemistry. — 2017. — T. 89, № 1. — C. 342—357.

162. Frontiers in nanoscale electrochemical imaging: faster, multifunctional, and ultrasensitive / M. Kang [h gp.] // Langmuir. — 2016. — T. 32, № 32. — C. 7993—8008.

163. Bentley, C. L. Nanoscale surface structure-activity in electrochemistry and electrocatalysis / C. L. Bentley, M. Kang, P. R. Unwin // Journal of the American Chemical Society. — 2018. — T. 141, № 6. — C. 2179—2193.

164. Mapping nanoscale electrochemistry of individual single-walled carbon nanotubes / A. G. Giiell [h gp.] // Nano letters. — 2014. — T. 14, № 1. — C. 220—224.

165. On the mechanism of enhanced oxygen reduction reaction in nitrogen-doped graphene nanoribbons / H. Kim [h gp.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2011. — T. 13, № 39. — C. 17505—17510.

166. Carbon alloy catalysts: active sites for oxygen reduction reaction / T. Ikeda [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2008. — T. 112, № 38. — C. 14706—14709.

167. Influence of the carbon surface on cathode deposits in non-aqueous Li-O2 batteries / S. Nakanishi [h gp.] // Carbon. — 2012. — T. 50, № 13. — C. 4794—4803.

168. Frenkel, D. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. T. 1 / D. Frenkel, B. Smit. — Elsevier, 2001.

169. Norman, G. Stochastic theory of the classical molecular dynamics method / G. Norman, V. Stegailov // Mathematical Models and Computer Simulations. — 2013. — T. 5, № 4. — C. 305—333.

170. Hughes, Z. E. Computational chemistry for graphene-based energy applications: progress and challenges / Z. E. Hughes, T. R. Walsh // Nanoscale. — 2015. — T. 7, № 16. — C. 6883—6908.

171. Burt, R. A review of molecular modelling of electric double layer capacitors / R. Burt, G. Birkett, X. Zhao // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2014. — T. 16, № 14. — C. 6519—6538.

172. Applying Classical, Ab Initio, and Machine-Learning Molecular Dynamics Simulations to the Liquid Electrolyte for Rechargeable Batteries / N. Yao [h gp.] // Chemical Reviews. — 2022.

173. Martin, R. M. Electronic structure: basic theory and practical methods / R. M. Martin. — Cambridge university press, 2020.

174. Hohenberg, P. Inhomogeneous electron gas / P. Hohenberg, W. Kohn // Physical review. — 1964. — T. 136, 3B. — B864.

175. Kohn, W. Self-consistent equations including exchange and correlation effects / W. Kohn, L. J. Sham // Physical review. — 1965. — T. 140, 4A. — A1133.

176. Marcus, R. A. Chemical and electrochemical electron-transfer theory / R. A. Marcus // Annual review of physical chemistry. — 1964. — T. 15, № 1. — C. 155—196.

177. Sakata, T. Quantum mechanical theory of electron transfer reactions at metal electrodes / T. Sakata // Bulletin of the Chemical Society of Japan. — 1996. — T. 69, № 9. — C. 2435—2446.

178. Anderson, P. W. Localized magnetic states in metals / P. W. Anderson // Physical Review. — 1961. — T. 124, № 1. — C. 41.

179. Newns, D. Self-consistent model of hydrogen chemisorption / D. Newns // Physical Review. — 1969. — T. 178, № 3. — C. 1123.

180. Ultrafast estimation of electronic couplings for electron transfer between n-conjugated organic molecules / F. Gajdos [h gp.] // Journal of Chemical Theory and Computation. — 2014. — T. 10, № 10. — C. 4653—4660.

181. Ziogos, O. G. Ultrafast estimation of electronic couplings for electron transfer between pi-conjugated organic molecules. II / O. G. Ziogos, J. Blumberger // The Journal of Chemical Physics. — 2021. — T. 155, № 24. — C. 244110.

182. Nikitin, A. M. New six-site acetonitrile model for simulations of liquid acetonitrile and its aqueous mixtures / A. M. Nikitin, A. P. Lyubartsev // Journal of computational chemistry. — 2007. — T. 28, № 12. — C. 2020—2026.

183. Development and testing of a general amber force field / J. Wang [h gp.] // Journal of computational chemistry. — 2004. — T. 25, № 9. — C. 1157—1174.

184. A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules / W. D. Cornell [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 1995. — T. 117, № 19. — C. 5179—5197.

185. Huber, K.-P. Molecular spectra and molecular structure: IV. Constants of diatomic molecules / K.-P. Huber. — Springer Science & Business Media, 2013.

186. Hartnig, C. Molecular dynamics simulation of the first electron transfer step in the oxygen reduction reaction / C. Hartnig, M. T. Koper // Journal of Electroanalytical Chemistry. — 2002. — T. 532, № 1/2. — C. 165—170.

187. Irikura, K. K. Experimental vibrational zero-point energies: Diatomic molecules / K. K. Irikura // Journal of physical and chemical reference data. — 2007. — T. 36, № 2. — C. 389—397.

188. Evans, D. J. The nose-hoover thermostat / D. J. Evans, B. L. Holian // The Journal of chemical physics. — 1985. — T. 83, № 8. — C. 4069—4074.

189. Potential of mean force by thermodynamic integration: Molecular-dynamics simulation of decomplexation / J. Van Eerden [h gp.] // Chemical physics letters. — 1989. — T. 164, № 4. — C. 370—376.

190. Prediction of binding free energy for adsorption of antimicrobial peptide lactoferricin B on a POPC membrane / V. Vivcharuk [h gp.] // Physical Review E. — 2008. — T. 77, № 3. — C. 031913.

191. Binding free energy and counterion release for adsorption of the antimicrobial peptide lactoferricin B on a POPG membrane / I. S. Tolokh [h gp.] // Physical Review E. — 2009. — T. 80, № 3. — C. 031911.

192. DL_POLY_3: new dimensions in molecular dynamics simulations via massive parallelism / I. T. Todorov [h gp.] // Journal of Materials Chemistry. — 2006. — T. 16, № 20. — C. 1911—1918.

193. Nicholls, A. A rapid finite difference algorithm, utilizing successive overrelaxation to solve the Poisson-Boltzmann equation / A. Nicholls, B. Honig // Journal of computational chemistry. — 1991. — T. 12, № 4. — C. 435—445.

194. Gaussian 09; Gaussian, Inc / M. Frisch [h gp.] // Wallingford, CT. — 2009. — T. 32. — C. 5648—5652.

195. Electrochemistry of individual monolayer graphene sheets / W. Li [h gp.] // ACS nano. — 2011. — T. 5, № 3. — C. 2264—2270.

196. Kresse, G. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set / G. Kresse, J. Furthmiiller // Physical review

B. — 1996. — T. 54, № 16. — C. 11169.

197. Kresse, G. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set / G. Kresse, J. Furthmiiller // Computational materials science. — 1996. — T. 6, № 1. — C. 15—50.

198. Blochl, P. E. Projector augmented-wave method / P. E. Blochl // Physical review B. — 1994. — T. 50, № 24. — C. 17953.

199. Perdew, J. P. Generalized gradient approximation made simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Physical review letters. — 1996. — T. 77, № 18. — C. 3865.

200. Monkhorst, H. J. Special points for Brillouin-zone integrations / H. J. Monkhorst, J. D. Pack // Physical review B. — 1976. — T. 13, № 12. — C. 5188.

201. Yortanli, M. Common surface structures of graphene and Au (111): The effect of rotational angle on adsorption and electronic properties / M. Yortanli, E. Mete // The Journal of Chemical Physics. — 2019. — T. 151, № 21. —

C. 214701.

202. Marcus, R. A. On the theory of electron-transfer reactions. VI. Unified treatment for homogeneous and electrode reactions / R. A. Marcus // The Journal of Chemical Physics. — 1965. — T. 43, № 2. — C. 679—701.

203. Kuznetsov, A. M. Charge transfer in physics, chemistry and biology: physical mechanisms of elementary processes and an introduction to the theory / A. M. Kuznetsov. — CRC Press, 2020.

204. Effect of the chemical order on the electrocatalytic activity of model PtCo electrodes in the oxygen reduction reaction / M. V. Lebedeva [h gp.] // Electrochimica Acta. — 2013. — T. 108. — C. 605—616.

205. Cave, R. J. Calculation of electronic coupling matrix elements for ground and excited state electron transfer reactions: comparison of the generalized Mulliken-Hush and block diagonalization methods / R. J. Cave, M. D. Newton // The Journal of chemical physics. — 1997. — T. 106, № 22. — C. 9213—9226.

206. Kuznetsov, A. Monte Carlo simulation of electrochemical electron transfer processes / A. Kuznetsov, R. Nazmutdinov, W. Schmickler // Journal of Electroanalytical Chemistry. — 2002. — T. 532, № 1/2. — C. 171—180.

207. Kuznetsov, A. M. Electron transfer in chemistry and biology: an introduction to the theory / A. M. Kuznetsov, J. Ulstrup. — John Wiley & Sons Ltd, 1999.

208. Gerischer, H. Charge transfer processes at semiconductor-electrolyte interfaces in connection with problems of catalysis / H. Gerischer // Surface Science. — 1969. — T. 18, № 1. — C. 97—122.

209. Trasatti, S. The absolute electrode potential: an explanatory note (Recommendations 1986) / S. Trasatti // Pure and Applied Chemistry. — 1986. — T. 58, № 7. — C. 955—966.

210. Allen, L. Electrochemical Methods Fundamental and Applications., John Wiley&Sons / L. Allen, J. Bard // Inc., The United State of America. — 2001.

211. Reduced work function of graphene by metal adatoms / M. Legesse [h gp.] // Applied Surface Science. — 2017. — T. 394. — C. 98—107.

212. Electrochemistry at single-walled carbon nanotubes: the role of band structure and quantum capacitance / I. Heller [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2006. — T. 128, № 22. — C. 7353—7359.

213. Hoffmann, R. An extended Hiickel theory. I. hydrocarbons / R. Hoffmann // The Journal of Chemical Physics. — 1963. — T. 39, № 6. — C. 1397—1412.

214. Mandi, G. Chen's derivative rule revisited: Role of tip-orbital interference in STM / G. Mandi, K. Palotas // Physical Review B. — 2015. — T. 91, № 16. —

C. 165406.

215. Tersoff, J. Theory of the scanning tunneling microscope / J. Tersoff,

D. R. Hamann // Physical Review B. — 1985. — T. 31, № 2. — C. 805.

216. Chen, C. J. Introduction to scanning tunneling microscopy / C. J. Chen, W. F. Smith // American Journal of Physics. — 1994. — T. 62, № 6. — C. 573—574.

217. Graphene-ionic liquid interfacial potential drop from density functional theory-based molecular dynamics simulations / H. Ers [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2020. — T. 124, № 36. — C. 19548—19555.

218. Memming, R. Semiconductor electrochemistry / R. Memming. — John Wiley & Sons, 2015.

219. Bard, A. J. Electrochemical methods: fundamentals and applications / A. J. Bard, L. R. Faulkner, H. S. White. — John Wiley & Sons, 2022.

220. Pavlov, S. Effect of a Graphene Vacancy on the Kinetics of Heterogeneous Electron Transfer / S. Pavlov, V. Kislenko, S. Kislenko // High Energy Chemistry. — 2022. — T. 56, № 5. — C. 333—338.

221. Ordered liquid aluminum at the interface with sapphire / S. H. Oh [h gp.] // Science. — 2005. — T. 310, № 5748. — C. 661—663.

222. Horn, R. G. Direct measurement of structural forces between two surfaces in a nonpolar liquid / R. G. Horn, J. N. Israelachvili // The Journal of Chemical Physics. — 1981. — T. 75, № 3. — C. 1400—1411.

223. Christenson, H. K. Experimental measurements of solvation forces in nonpolar liquids / H. K. Christenson // The Journal of Chemical Physics. — 1983. — T. 78, № 11. — C. 6906—6913.

224. Long distance electron transfer at the metal/alkanethiol/ionic liquid interface / V. A. Nikitina [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2014. — T. 118, № 29. — C. 15970—15977.

225. Fundamental signatures of short-and long-range electron transfer for the blue copper protein azurin at Au/SAM junctions / D. E. Khoshtariya [h gp.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2010. — T. 107, № 7. — C. 2757—2762.

226. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers / M. J. Abraham [h gp.] // SoftwareX. — 2015. — T. 1. — C. 19—25.

227. Manz, T. A. Introducing DDEC6 atomic population analysis: part 1. Charge partitioning theory and methodology / T. A. Manz, N. G. Limas // RSC advances. — 2016. — T. 6, № 53. — C. 47771—47801.

228. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu / S. Grimme [h gp.] // The Journal of chemical physics. — 2010. — T. 132, № 15. — C. 154104.

229. Wyckoff, R. W. G. Crystal structures. T. 1 / R. W. G. Wyckoff, R. W. Wyckoff. — Interscience publishers New York, 1963.

230. Grimme, S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction / S. Grimme // Journal of computational chemistry. — 2006. — T. 27, № 15. — C. 1787—1799.

231. Tkatchenko, A. Accurate molecular van der Waals interactions from ground-state electron density and free-atom reference data / A. Tkatchenko, M. Scheffler // Physical review letters. — 2009. — T. 102, № 7. — C. 073005.

232. Grimme, S. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory / S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk // Journal of computational chemistry. — 2011. — T. 32, № 7. — C. 1456—1465.

233. Steinmann, S. N. A generalized-gradient approximation exchange hole model for dispersion coefficients / S. N. Steinmann, C. Corminboeuf // The Journal of chemical physics. — 2011. — T. 134, № 4. — C. 044117.

234. Steinmann, S. N. Comprehensive benchmarking of a density-dependent dispersion correction / S. N. Steinmann, C. Corminboeuf // Journal of chemical theory and computation. — 2011. — T. 7, № 11. — C. 3567—3577.

235. Extending the applicability of the Tkatchenko-Scheffler dispersion correction via iterative Hirshfeld partitioning / T. Bucko [h gp.] // The Journal of chemical physics. — 2014. — T. 141, № 3. — C. 034114.

236. Accurate and efficient method for many-body van der Waals interactions / A. Tkatchenko [h gp.] // Physical review letters. — 2012. — T. 108, № 23. — C. 236402.

237. Van der Waals density functional for general geometries / M. Dion [h gp.] // Physical review letters. — 2004. — T. 92, № 24. — C. 246401.

238. Higher-accuracy van der Waals density functional / K. Lee [h gp.] // Physical Review B. — 2010. — T. 82, № 8. — C. 081101.

239. Hamada, I. Comparative van der Waals density-functional study of graphene on metal surfaces / I. Hamada, M. Otani // Physical Review B. — 2010. — T. 82, № 15. — C. 153412.

240. Structural and electronic properties of graphene nanoflakes on Au (111) and Ag (111) / J. Tesch [h gp.] // Scientific Reports. — 2016. — T. 6, № 1. — C. 1—9.

241. Hummers Jr, W. S. Preparation of graphitic oxide / W. S. Hummers Jr, R. E. Offeman // Journal of the american chemical society. — 1958. — T. 80, № 6. — C. 1339—1339.

242. Chang, Y. C. Defect-induced resonances and magnetic patterns in graphene / Y. C. Chang, S. Haas // Physical Review B. — 2011. — T. 83, № 8. — C. 085406.

243. Recent progress in 2D or 3D N-doped graphene synthesis and the characterizations, properties, and modulations of N species / M. Fan [h gp.] // Journal of materials science. — 2016. — T. 51, № 23. — C. 10323—10349.

244. Nitrogen-doped graphene sheets grown by chemical vapor deposition: Synthesis and influence of nitrogen impurities on carrier transport / Y.-F. Lu [h gp.] // ACS nano. — 2013. — T. 7, № 8. — C. 6522—6532.

245. Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence / K. Nakada [h gp.] // Physical Review B. — 1996. — T. 54, № 24. — C. 17954.

246. Peculiar localized state at zigzag graphite edge / M. Fujita [h gp.] // Journal of the Physical Society of Japan. — 1996. — T. 65, № 7. — C. 1920—1923.

247. Stein, S. E. . pi.-Electron properties of large condensed polyaromatic hydrocarbons / S. E. Stein, R. Brown // Journal of the American Chemical Society. — 1987. — T. 109, № 12. — C. 3721—3729.

248. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of the electronic local density of states of graphite surfaces near monoatomic step edges / Y. Niimi [h gp.] // Physical Review B. — 2006. — T. 73, № 8. — C. 085421.

249. Nazmutdinov, R. R. Spin effects in oxygen electrocatalysis: a discussion / R. R. Nazmutdinov, E. Santos, W. Schmickler // Electrochemistry communications. — 2013. — T. 33. — C. 14—17.

250. Kuznetsov, A. M. Does the electron spin affect the rates of electron tunneling in electrochemical systems? / A. M. Kuznetsov, I. G. Medvedev // Electrochemistry communications. — 2007. — T. 9, № 6. — C. 1343—1347.

251. Suppression of spin polarization in graphene nanoribbons by edge defects and impurities / B. Huang [h gp.] // Physical Review B. — 2008. — T. 77, № 15. — C. 153411.

252. Half-metallicity in edge-modified zigzag graphene nanoribbons / E.-j. Kan [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2008. — T. 130, № 13. — C. 4224—4225.

253. Quantum effects on the capacitance of graphene-based electrodes / C. Zhan [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2015. — T. 119, № 39. — C. 22297—22303.

254. Peover, M. Electrolytic reduction of oxygen in aprotic solvents: the superoxide ion / M. Peover, B. White // Electrochimica Acta. — 1966. — T. 11, № 8. — C. 1061—1067.

255. Elucidating the mechanism of oxygen reduction for lithium-air battery applications / C. O. Laoire [h gp.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2009. — T. 113, № 46. — C. 20127—20134.

256. Lide, D. R. CRC handbook of chemistry and physics. T. 85 / D. R. Lide. — CRC press, 2004.

257. Stone-Wales defects in graphene and other planar s p 2-bonded materials / J. Ma [h gp.] // Physical Review B. — 2009. — T. 80, № 3. — C. 033407.

258. Openov, L. Real-time evolution of the buckled Stone-Wales defect in graphene / L. Openov, A. Podlivaev // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. — 2015. — T. 70. — C. 165—169.

259. Vanevic, M. Character of electronic states in graphene antidot lattices: Flat bands and spatial localization / M. Vanevic, V. M. Stojanovic, M. Kindermann // Physical Review B. — 2009. — T. 80, № 4. — C. 045410.

260. Giant edge state splitting at atomically precise graphene zigzag edges / S. Wang [h gp.] // Nature communications. — 2016. — T. 7, № 1. — C. 1—6.

261. Electronic spillover from a metallic nanoparticle: can simple electrochemical electron transfer processes be catalyzed by electronic coupling of a molecular scale gold nanoparticle simultaneously to the redox molecule and the electrode? / S. A. Shermukhamedov [h gp.] // Journal of the American Chemical Society. — 2020. — T. 142, № 24. — C. 10646—10658.

262. Gosavi, S. Nonadiabatic electron transfer at metal surfaces / S. Gosavi, R. Marcus // The Journal of Physical Chemistry B. — 2000. — Т. 104, № 9. — С. 2067—2072.

263. Molecular dynamics simulation of the structure and interfacial free energy barriers of mixtures of ionic liquids and divalent salts near a graphene wall / V. Gomez-Gonzalez [и др.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2017. — Т. 19, № 1. — С. 846—853.

264. Interfacial structure and structural forces in mixtures of ionic liquid with a polar solvent / S. W. Coles [и др.] // Faraday discussions. — 2018. — Т. 206. — С. 427—442.

Публикации автора по теме диссертации

265. Unveiling a facile approach for large-scale synthesis of N-doped graphene with tuned electrical properties / M. K. Rabchinskii [и др.] //2D Materials. — 2020. — Т. 7, № 4. — С. 045001.

266. Valence Band Structure Engineering in Graphene Derivatives / V. V. Shnitov [и др.] // Small. — 2021. — Т. 17, № 52. — С. 2104316.

267. Role of graphene edges in the electron transfer kinetics: insight from theory and molecular modeling / S. V. Pavlov [и др.] // The Journal of Physical Chemistry C. — 2019. — Т. 123, № 11. — С. 6627—6634.

268. Pavlov, S. Graphene electrochemistry: edge vs. basal plane sites / S. Pavlov, S. Kislenko // Journal of Physics: Conference Series. Т. 1092. — IOP Publishing. 2018. — С. 012112.

269. Pavlov, S. V. Fast method for calculating spatially resolved heterogeneous electron-transfer kinetics and its application to graphene with defects / S. V. Pavlov, V. A. Kislenko, S. A. Kislenko // The Journal of Physical Chemistry C. — 2020. — Т. 124, № 33. — С. 18147—18155.

270. Pavlov, S. Effects of carbon surface topography on the electrode/electrolyte interface structure and relevance to Li-air batteries / S. Pavlov, S. Kislenko //

Physical Chemistry Chemical Physics. — 2016. — T. 18, № 44. — C. 30830—30836.

271. Pavlov, S. Investigation of the graphene-electrolyte interface in Li-air batteries: A molecular dynamics study / S. Pavlov, S. Kislenko // Journal of Physics: Conference Series. T. 946. — IOP Publishing. 2018. — C. 012028.

272. Effect of a Au underlayer on outer-sphere electron transfer across a Au/graphene/electrolyte interface / S. A. Kislenko [h gp.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2021. — T. 23, № 40. — C. 22984—22991.

Список рисунков

2.1 Визуализация расчетной ячейки для исследования структуры межфазной границы............................ 31

2.2 Изображения графеновых кластеров, использовавшихся для исследования влияния края графена на кинетику переноса электрона. 33

2.3 Модельные системы графена, содержащего точечные дефекты, рассмотренные в периодической геометрии................ 34

2.4 Визуализация системы Ли(111)/графен.................. 35

2.5 Визуализации модельных систем: а) восстановленного оксида графена, допированного азотом (N-^0); Ь) восстановленного

оксида графена (р-ЮО), рассмотренные в периодической геометрии. 36

2.6 Визуализации модельных систем: а) графена, содержащего карбонильные группы (Спу); Ь) графена, содержащего

карбоксильные группы (Сху)....................... 36

2.7 Линейная зависимость матричного элемента Гамильтониана и интеграла перекрывания волновых функций............... 38

2.8 Схема расположения орбиталей комплекса графен-кислород...... 39

2.9 Энергетическая диаграмма показывающая заселенности энергетических уровней при контакте электрода и редокс подсистемы 42

2.10 Схема выравнивания электронный уровней в случае трехфазной системы.................................... 47

3.1 Структура межфазной границы углеродный катод - электролит. ... 51

3.2 Профили плотности массы вдоль характерных направлений углеродных поверхностей.......................... 52

3.3 Определение угла между вектором вдоль молекулы ацетонитрила и нормалью к поверхностью......................... 53

3.4 Профили плотности растворителя, потенциалы средней силы и распределение концентрации реагентов реакции восстановления кислорода на межфазной границе электрод/электролит........ 55

3.5 Карты распределения реагентов реакции восстановления кислорода вблизи края многослойного графена................... 57

3.6 Двухмерные профили свободной энергии для реагентов реакции восстановления кислорода вблизи края многослойного графена. . . . 58

3.7 Распределение электрического потенциала в приэлектродной

области графенов различной морфологии................ 58

3.8 Распределения концентрации 02 и О- в зависимости от расстояния

до графена, усредненные по плоскости XY................ 60

3.9 Распределения концентрации 02 и О- вдоль плоскостей XY в слоях на различном расстоянии от поверхности графена, содержащего единичную вакансию............................ 61

4.1 Дважды вырожденная HOMO кластера графена с краями типа

зигзаг..................................... 64

4.2 Дважды вырожденная HOMO кластера графена с краями типа

кресло.................................... 64

4.3 Плотность электронных состояний кластеров графена с различной морфологией края.............................. 65

4.4 Плотность электронных состояний графена, содержащего точечные дефекты, в сравнении с идеальным графеном.............. 66

4.5 Распределение электронной плотности состояний с энергиями в диапазоне от -0.5 эВ до 0.5 эВ, относительно уровня Ферми вблизи дефектов поверхности графена...................... 67

4.6 Проекции плотности электронных состояний (pDOS) на атомные орбитали атомов углерода и золота.................... 69

4.8 Электронная структура теоретических моделей образцов p-rGO и N-rGO.................................... 70

4.9 Сравнение плотности электронных состояний для модельных молекул с проекцией электронной плотности на соответствующие функциональные группы.......................... 72

5.1 Распределение электронной плотности от HOMO в графеновом кластере с краями типа зигзаг....................... 75

5.2 Электронный трансмиссионный коэффициент ке в зависимости от расстояния до графена........................... 76

5.3 Электронная плотность от высшей занятой орбитали (HOMO) для графеновых кластеров с различной морфологией края......... 77

5.4 Характерная зависимость электронного трансмиссионного коэффициента................................ 78

5.5 Карты распределения константы скорости переноса электрона в зависимости от положения молекулы кислорода над поверхностью графена на расстоянии 3.5 A для перпендикулярной ориентации кислорода.................................. 79

5.6 Карты распределения константы скорости переноса электрона в зависимости от положения молекулы кислорода над поверхностью графена на расстоянии 3.5 A для параллельной ориентации кислорода.................................. 80

5.7 Карты распределения константы скорости переноса электрона в зависимости от положения молекулы кислорода над поверхностью графена на расстоянии 5 A для перпендикулярной ориентации кислорода.................................. 81

5.8 Карты распределения константы скорости переноса электрона в зависимости от положения молекулы кислорода над поверхностью графена на расстоянии 5 А для параллельной ориентации кислорода. 82

5.9 Изображение областей усреднения константы скорости переноса электрона.................................. 83

5.10 Константа скорости переноса электрона в зависимости от расстояния молекулы кислорода до поверхности графена для края

типа зигзаг и плоскости графена..................... 84

5.11 Отношение констант скорости переноса электрона с края графена

типа зигзаг и базальной плоскости.................... 85

5.12 Влияние Больцмановского фактора на константу скорости переноса электрона. ................................. 85

6.1 Изображения HOMO исследуемых редокс молекул........... 87

6.2 Константа скорости переноса электрона с поверхности графена с моновакансией в зависимости от уровня описания акцепторной орбитали................................... 89

6.3 Время работы программы в зависимости от уровня описания акцепторной орбитали........................... 90

6.4 Константа скорости переноса электрона для различных дефектов и стандартных окислительно-восстановительных потенциалов...... 91

6.5 Энергетические диаграммы, показывающая занятые электронные состояния графена с различными дефектами .............. 92

6.6 Сдвиг энергии Ферми в графене относительно точки Дирака в зависимости от стандартного окислительно-восстановительного потенциала на границах Ли/графен/электролит и графен/электролит. 94

6.7 Константа скорости переноса электрона в зависимости от расстояния до поверхности графена для Яи(МН3)1+/2+........ 95

6.8 Распределения электронной плотности отдельных электронных состояний системы Ли(111)/графен в узком диапазоне в пределах

0.2 эВ от энергии Ферми.......................... 96

6.9 Константа скорости в зависимости от расстояния до графена на границе раздела Ли/графен/электролит для различных окислительно-восстановительных пар................... 98

Список таблиц

1 Постоянная решетки Au, рассчитанная с использованием обменно-корреляционного функционала PBE и различных

поправок VdW в сравнении с экспериментом............... 68

2 Эффективная константа скорости переноса электрона в зависимости от bxahift............................ 83

3 Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы V 0 для соответствующих редокс пар........................ 88