In-situ Raman spectroelectrochemistry of graphene and related materials in concentrated aqueous electrolytes

Abstract

Vzájemná provázanost vlastností materiálu a elektrochemických procesů často probíhajících na jeho všudypřítomných okrajích ztěžuje rozlišení role jednotlivých defektů v procesech přenosu náboje v materiálu. Proto jsme použili in-situ μ-kapkovou Ramanovu spektroelektrochemii (SEC), abychom identifikovali procesy lokalizovaného přenosu náboje přes bazální rovinu a defekty v oblasti o velikosti 10-20 μm2 v čistém a defektním jednovrstvém grafenu. Bylo zjištěno, že dva odlišné procesy přenosu elektronů s nižší a vyšší rychlostí existují vedle sebe ve stejném vzorku, ale jsou omezeny na oblasti bez defektů a na oblasti bohaté na defekty. Kromě toho, za účelem prozkoumání mechanismu elektrochemické interkalace iontů pro dobíjecí baterie, byla provedena in-situ Ramanova SEC v makro elektrochemické cele. Bylo pozorováno, že strukturní vlastnosti, jako je velikost laterální domény (La), stupeň grafitizace (g), vzdálenost mezi defekty (LD) a hustota defektů (nD), mají podstatný vliv na elektrochemickou (de)interkalaci aniontu do přírodního a kish grafitu během nabíjecích/vybíjecích procesů. Bylo také zjištěno, že ultrazvuková úprava přírodního grafitu snižuje La, což zvyšuje reverzibilitu aniontové (de)interkalace v koncentrované vodném roztoku elektrolytu. Reverzibilitu aniontové (de)interkalace do vysoce...

The complex interplay between the material's properties and the electrochemical process often taking place at its ubiquitous edges makes it difficult to discriminate the role of single defects in the charge transfer processes in the material. Therefore, we have performed in-situ μ-droplet Raman spectroelectrochemistry (SEC) to identify the localized charge transfer processes through the basal plane and defects in a selected localized area of 10-20 μm2 of defect-free and defective monolayer graphene. It is noticed that two distinctive electron transfer processes of slower and faster rates exist side-by-side in the same sample but they are confined in the defect-free and defect-rich regions, respectively. Furthermore, in order to explore the electrochemical ion intercalation mechanism for rechargeable batteries, in-situ Raman SEC in a macro SEC cell was performed. It was observed that structural properties such as the lateral domain size (La), degree of graphitization (g), inter-defect distance (LD) and defect density (nD) have substantial influence on the electrochemical (de)intercalation of anion into natural and kish graphite during charge/discharge process. It was also revealed that ultrasound treatment of natural graphite reduces the La which enhances the reversibility of the anion...