Científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Skoltech, y el Instituto Conjunto para Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia han realizado un estudio teórico de los efectos de los defectos en el grafeno sobre la transferencia de electrones en la interfaz grafeno-solución. Sus cálculos muestran que los defectos pueden incrementar la tasa de transferencia de carga en un orden de magnitud. Es más, variando el tipo de defecto, es posible catalizar selectivamente la transferencia de electrones a una determinada clase de reactivos en solución. Esto puede resultar muy útil para crear sensores electroquímicos y electrocatalizadores eficientes. Los hallazgos fueron publicados en Electrochimica Acta .

El carbono se usa ampliamente en electroquímica. Un nuevo tipo de electrodos a base de carbono, hecho de grafeno, tiene un gran potencial para biosensores, fotovoltaica, y celdas electroquímicas. Por ejemplo, El grafeno químicamente modificado se puede utilizar como un análogo económico y eficaz de los catalizadores de platino o iridio en pilas de combustible y baterías de metal-aire.

Las características electroquímicas del grafeno dependen en gran medida de su estructura química y propiedades electrónicas. que tienen un impacto significativo en la cinética de los procesos redox. El interés por estudiar la cinética de la transferencia heterogénea de electrones en la superficie del grafeno ha sido estimulado recientemente por nuevos datos experimentales que muestran la posibilidad de acelerar la transferencia en defectos estructurales. como vacantes, bordes de grafeno, heteroátomos de impurezas, y grupos funcionales que contienen oxígeno.

Un artículo reciente en coautoría de tres científicos rusos presenta un estudio teórico de la cinética de la transferencia de electrones en la superficie del grafeno con varios defectos:vacantes simples y dobles, el defecto de Stone-Wales, impurezas de nitrógeno, y grupos epoxi e hidroxilo. Todos estos cambios afectaron significativamente la constante de tasa de transferencia. El efecto más pronunciado se asoció con una sola vacante:se predijo que la tasa de transferencia aumentaría en un orden de magnitud en relación con el grafeno sin defectos. Este aumento solo debe observarse para procesos redox con un potencial estándar de −0,2 voltios a 0,3 voltios, en relación con el electrodo de hidrógeno estándar. Los cálculos también mostraron que debido a la baja capacitancia cuántica de la hoja de grafeno, la cinética de transferencia de electrones se puede controlar cambiando la capacitancia de la bicapa.

"En nuestros cálculos, intentamos establecer una relación entre la cinética de la transferencia heterogénea de electrones y los cambios en las propiedades electrónicas del grafeno provocados por defectos. Resultó que la introducción de defectos en una hoja de grafeno prístina puede conducir a un aumento en la densidad de estados electrónicos cerca del nivel de Fermi y catalizar la transferencia de electrones. "dijo el profesor asociado Sergey Kislenko del Departamento de Física de Procesos de Alta Temperatura, MIPT.

"También, dependiendo del tipo de defecto, afecta la densidad de los estados electrónicos en varias regiones energéticas de diferentes maneras. Esto sugiere la posibilidad de implementar catálisis electroquímica selectiva. Creemos que estos efectos pueden ser útiles para aplicaciones de sensores electroquímicos, y el aparato teórico que estamos desarrollando se puede utilizar para el diseño químico específico de nuevos materiales para aplicaciones electroquímicas, "agregó el científico.