Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik, Skoltech, och Russian Academy of Sciences Joint Institute for High Temperatures har genomfört en teoretisk studie av effekterna av defekter i grafen på elektronöverföring vid grafen-lösningsgränssnittet. Deras beräkningar visar att defekter kan öka laddningsöverföringshastigheten med en storleksordning. Dessutom, genom att variera typen av defekt, det är möjligt att selektivt katalysera elektronöverföringen till en viss klass av reagenser i lösning. Detta kan vara mycket användbart för att skapa effektiva elektrokemiska sensorer och elektrokatalysatorer. Resultaten publicerades i Electrochimica Acta .

Kol används ofta inom elektrokemi. En ny typ av kolbaserade elektroder, tillverkad av grafen, har stor potential för biosensorer, solceller, och elektrokemiska celler. Till exempel, kemiskt modifierad grafen kan användas som en billig och effektiv analog av platina- eller iridiumkatalysatorer i bränsleceller och metall-luftbatterier.

De elektrokemiska egenskaperna hos grafen beror starkt på dess kemiska struktur och elektroniska egenskaper, som har en betydande inverkan på kinetiken för redoxprocesser. Intresset för att studera kinetiken för heterogen elektronöverföring på grafenytan har nyligen stimulerats av nya experimentella data som visar möjligheten att påskynda överföringen vid strukturella defekter, till exempel lediga platser, grafenkanter, orenheteroatomer, och syrehaltiga funktionella grupper.

En nyligen publicerad uppsats med tre ryska forskare presenterar en teoretisk studie av kinetiken för elektronöverföring på ytan av grafen med olika defekter:enkla och dubbla vakanser, Stone-Wales-defekten, kväveföroreningar, och epoxi- och hydroxylgrupper. Alla dessa förändringar påverkade överföringshastighetskonstanten avsevärt. Den mest uttalade effekten var associerad med en enda vakans:Överföringshastigheten förutspåddes att växa med en storleksordning i förhållande till defektfritt grafen. Denna ökning bör endast observeras för redoxprocesser med en standardpotential på -0,2 volt till 0,3 volt - i förhållande till standardväteelektroden. Beräkningarna visade också att på grund av den låga kvantkapacitansen hos grafenarket, elektronöverföringskinetiken kan styras genom att ändra kapacitansen hos tvåskiktet.

"I våra beräkningar, vi försökte upprätta ett samband mellan kinetiken för heterogen elektronöverföring och förändringarna i grafens elektroniska egenskaper orsakade av defekter. Det visade sig att införande av defekter i ett orört grafenark kan leda till en ökning av densiteten hos elektroniska tillstånd nära Fermi -nivån och katalysera elektronöverföring, "säger docent Sergey Kislenko vid institutionen för fysik i högtemperaturprocesser, MIPT.

"Också, beroende på typ av defekt, det påverkar densiteten hos elektroniska tillstånd över olika energiområden på olika sätt. Detta antyder en möjlighet för implementering av selektiv elektrokemisk katalys. Vi tror att dessa effekter kan vara användbara för elektrokemiska sensorapplikationer, och den teoretiska apparat som vi utvecklar kan användas för riktad kemisk design av nya material för elektrokemiska applikationer, "tillade forskaren.