Wetenschappers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, Skoltech, en het Joint Institute for High Temperaturen van de Russische Academie van Wetenschappen hebben een theoretische studie uitgevoerd naar de effecten van defecten in grafeen op elektronenoverdracht op het grensvlak van grafeen-oplossing. Hun berekeningen tonen aan dat defecten de overdrachtssnelheid van ladingen met een orde van grootte kunnen verhogen. Bovendien, door het type defect te variëren, het is mogelijk om selectief de elektronenoverdracht naar een bepaalde klasse van reagentia in oplossing te katalyseren. Dit kan erg handig zijn voor het maken van efficiënte elektrochemische sensoren en elektrokatalysatoren. De bevindingen zijn gepubliceerd in Electrochimica Acta .

Koolstof wordt veel gebruikt in de elektrochemie. Een nieuw type op koolstof gebaseerde elektroden, gemaakt van grafeen, heeft een groot potentieel voor biosensoren, fotovoltaïsche, en elektrochemische cellen. Bijvoorbeeld, chemisch gemodificeerd grafeen kan worden gebruikt als een goedkope en effectieve analoog van platina- of iridiumkatalysatoren in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen.

De elektrochemische eigenschappen van grafeen zijn sterk afhankelijk van de chemische structuur en elektronische eigenschappen, die een aanzienlijke invloed hebben op de kinetiek van redoxprocessen. De interesse in het bestuderen van de kinetiek van heterogene elektronenoverdracht op het grafeenoppervlak is onlangs gestimuleerd door nieuwe experimentele gegevens die de mogelijkheid aantonen om de overdracht bij structurele defecten te versnellen, zoals vacatures, grafeen randen, onzuiverheid heteroatomen, en zuurstofbevattende functionele groepen.

Een recent artikel, mede geschreven door drie Russische wetenschappers, presenteert een theoretische studie van de kinetiek van elektronenoverdracht op het oppervlak van grafeen met verschillende defecten:enkele en dubbele vacatures, het Stone-Wales-defect, stikstof onzuiverheden, en epoxy- en hydroxylgroepen. Al deze wijzigingen hadden een aanzienlijke invloed op de constante van de overdrachtssnelheid. Het meest uitgesproken effect was geassocieerd met een enkele vacature:de overdrachtssnelheid zou met een grootteorde toenemen ten opzichte van defectvrij grafeen. Deze toename mag alleen worden waargenomen voor redoxprocessen met een standaardpotentiaal van −0,2 volt tot 0,3 volt, ten opzichte van de standaard waterstofelektrode. De berekeningen toonden ook aan dat vanwege de lage kwantumcapaciteit van de grafeenplaat, de kinetiek van de elektronenoverdracht kan worden geregeld door de capaciteit van de dubbellaag te veranderen.

"In onze berekeningen we hebben geprobeerd een verband te leggen tussen de kinetiek van heterogene elektronenoverdracht en de veranderingen in de elektronische eigenschappen van grafeen veroorzaakt door defecten. Het bleek dat het introduceren van defecten in een ongerept grafeenblad kan leiden tot een toename van de dichtheid van elektronische toestanden nabij het Fermi-niveau en elektronenoverdracht kan katalyseren, " zei universitair hoofddocent Sergey Kislenko van de afdeling Fysica van Hogetemperatuurprocessen, MIPT.

"Ook, afhankelijk van het soort defect, het beïnvloedt de dichtheid van elektronische toestanden in verschillende energieregio's op verschillende manieren. Dit suggereert een mogelijkheid voor het implementeren van selectieve elektrochemische katalyse. Wij zijn van mening dat deze effecten nuttig kunnen zijn voor elektrochemische sensortoepassingen, en het theoretische apparaat dat we ontwikkelen, kan worden gebruikt voor gericht chemisch ontwerp van nieuwe materialen voor elektrochemische toepassingen, ’ voegde de wetenschapper eraan toe.