Graphitization of low-density amorphous carbon for electrocatalysis electrodes from ReaxFF reactive dynamics

雷亚克夫 材料科学 无定形碳 钻石 石墨 无定形固体 碳纤维 化学物理 分子动力学 化学工程 化学 结晶学 复合材料 计算化学 工程类 原子间势 复合数
作者
Md Delowar Hossain,Qing Zhang,Tao Cheng,William A. Goddard,Zhengtang Luo
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:183: 940-947 被引量:56
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2021.07.080
摘要

We predict the three-dimensional structure of amorphous carbon generated by heating diamond superlattice at 6000 K with rapid quenching from the liquid phase for densities ranging from 2.0 to 3.5 g/cm3, in comparison with 2.26 and 3.54 g/cm3 for bulk graphite and bulk diamond, respectively. These predictions are based on reactive dynamics (RD) simulations using the ReaxFF reactive force field. Here, we simulate the graphitization of amorphous carbon at high temperature to calculate physical properties relevant to conductive carbon supports useful for electrocatalysts. The low-density graphitic materials mostly oriented in the (002) plane with a main X-ray diffraction (XRD) peak between 26 and 28°, as observed experimentally. For low density carbon (2.0–2.5 g/cm3), we find >90% sp2 character with ∼2-1% sp and <8% sp3. While for higher density carbon, the amount of sp2 fraction decreases with density and find 70.0% sp3 with 29.7% sp2 and 0.3% sp for 3.4 g/cm3 density, which can be compared to DLC of 3.24 g/cm3 density resulting good agreement with XPS experiments. Based on the simulated 3D structure, we create 2D surface slab consisting of various defective sites within the surface. The 2D surface dominates with hexagonal carbon ring along with few pentagon and heptagon rings in the graphitic structure that may be useful as electrocatalysts for different energy conversion reactions.
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