Scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, Skoltech, e l'Istituto congiunto dell'Accademia delle scienze russa per le alte temperature hanno condotto uno studio teorico sugli effetti dei difetti nel grafene sul trasferimento di elettroni all'interfaccia grafene-soluzione. I loro calcoli mostrano che i difetti possono aumentare la velocità di trasferimento degli addebiti di un ordine di grandezza. Inoltre, variando il tipo di difetto, è possibile catalizzare selettivamente il trasferimento di elettroni a una determinata classe di reagenti in soluzione. Questo può essere molto utile per creare sensori elettrochimici ed elettrocatalizzatori efficienti. I risultati sono stati pubblicati in Electrochimica Acta .

Il carbonio è ampiamente utilizzato in elettrochimica. Un nuovo tipo di elettrodi a base di carbonio, fatto di grafene, ha un grande potenziale per i biosensori, fotovoltaico, e celle elettrochimiche. Per esempio, il grafene chimicamente modificato può essere utilizzato come analogo economico ed efficace dei catalizzatori al platino o all'iridio nelle celle a combustibile e nelle batterie metallo-aria.

Le caratteristiche elettrochimiche del grafene dipendono fortemente dalla sua struttura chimica e dalle proprietà elettroniche, che hanno un impatto significativo sulla cinetica dei processi redox. L'interesse per lo studio della cinetica del trasferimento di elettroni eterogenei sulla superficie del grafene è stato recentemente stimolato da nuovi dati sperimentali che mostrano la possibilità di accelerare il trasferimento a difetti strutturali, come posti vacanti, bordi di grafene, eteroatomi di impurità, e gruppi funzionali contenenti ossigeno.

Un recente articolo scritto da tre scienziati russi presenta uno studio teorico della cinetica del trasferimento di elettroni sulla superficie del grafene con vari difetti:vacanze singole e doppie, il difetto di Stone-Wales, impurità di azoto, e gruppi epossidici e idrossilici. Tutte queste modifiche hanno influito in modo significativo sulla costante della velocità di trasferimento. L'effetto più pronunciato è stato associato a un singolo posto vacante:si prevedeva che la velocità di trasferimento crescesse di un ordine di grandezza rispetto al grafene privo di difetti. Questo aumento dovrebbe essere osservato solo per i processi redox con un potenziale standard da -0,2 volt a 0,3 volt, rispetto all'elettrodo standard a idrogeno. I calcoli hanno anche mostrato che, a causa della bassa capacità quantica del foglio di grafene, la cinetica di trasferimento degli elettroni può essere controllata modificando la capacità del doppio strato.

"Nei nostri calcoli, abbiamo cercato di stabilire una relazione tra la cinetica del trasferimento di elettroni eterogenei e le variazioni delle proprietà elettroniche del grafene causate da difetti. Si è scoperto che l'introduzione di difetti in un foglio di grafene incontaminato può portare ad un aumento della densità degli stati elettronici vicino al livello di Fermi e catalizzare il trasferimento di elettroni, " ha affermato il Professore Associato Sergey Kislenko del Dipartimento di Fisica dei Processi ad Alta Temperatura, MIPT.

"Anche, a seconda del tipo di difetto, influenza la densità degli stati elettronici nelle varie regioni energetiche in modi diversi. Ciò suggerisce la possibilità di implementare la catalisi elettrochimica selettiva. Riteniamo che questi effetti possano essere utili per applicazioni di sensori elettrochimici, e l'apparato teorico che stiamo sviluppando può essere utilizzato per la progettazione chimica mirata di nuovi materiali per applicazioni elettrochimiche, " ha aggiunto lo scienziato.