Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, Skoltech, et l'Institut commun de l'Académie des sciences de Russie pour les températures élevées ont mené une étude théorique des effets des défauts du graphène sur le transfert d'électrons à l'interface graphène-solution. Leurs calculs montrent que les défauts peuvent augmenter le taux de transfert de charge d'un ordre de grandeur. De plus, en variant le type de défaut, il est possible de catalyser sélectivement le transfert d'électrons vers une certaine classe de réactifs en solution. Cela peut être très utile pour créer des capteurs électrochimiques et des électrocatalyseurs efficaces. Les résultats ont été publiés dans Electrochimica Acta .

Le carbone est largement utilisé en électrochimie. Un nouveau type d'électrodes à base de carbone, en graphène, a un grand potentiel pour les biocapteurs, photovoltaïque, et des cellules électrochimiques. Par exemple, le graphène modifié chimiquement peut être utilisé comme un analogue bon marché et efficace des catalyseurs au platine ou à l'iridium dans les piles à combustible et les batteries métal-air.

Les caractéristiques électrochimiques du graphène dépendent fortement de sa structure chimique et de ses propriétés électroniques, qui ont un impact significatif sur la cinétique des processus redox. L'intérêt pour l'étude de la cinétique du transfert hétérogène d'électrons à la surface du graphène a récemment été stimulé par de nouvelles données expérimentales montrant la possibilité d'accélérer le transfert au niveau des défauts structuraux, comme les postes vacants, bords de graphène, hétéroatomes d'impuretés, et des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène.

Un article récent co-écrit par trois scientifiques russes présente une étude théorique de la cinétique du transfert d'électrons à la surface du graphène avec divers défauts :lacunes simples et doubles, le défaut Stone-Wales, impuretés azotées, et des groupes époxy et hydroxyle. Tous ces changements ont considérablement affecté la constante du taux de transfert. L'effet le plus prononcé était associé à une seule vacance :le taux de transfert devait augmenter d'un ordre de grandeur par rapport au graphène sans défaut. Cette augmentation ne doit être observée que pour les procédés redox avec un potentiel standard de -0,2 volt à 0,3 volt par rapport à l'électrode à hydrogène standard. Les calculs ont également montré qu'en raison de la faible capacité quantique de la feuille de graphène, la cinétique de transfert d'électrons peut être contrôlée en changeant la capacité de la bicouche.

« Dans nos calculs, nous avons essayé d'établir une relation entre la cinétique de transfert d'électrons hétérogène et les modifications des propriétés électroniques du graphène causées par des défauts. Il s'est avéré que l'introduction de défauts dans une feuille de graphène vierge peut entraîner une augmentation de la densité des états électroniques près du niveau de Fermi et catalyser le transfert d'électrons, " a déclaré le professeur agrégé Sergey Kislenko du Département de physique des processus à haute température, MIPT.

"Aussi, selon le type de défaut, il affecte la densité des états électroniques dans diverses régions énergétiques de différentes manières. Ceci suggère une possibilité de mettre en œuvre une catalyse électrochimique sélective. Nous pensons que ces effets peuvent être utiles pour les applications de capteurs électrochimiques, et l'appareil théorique que nous développons peut être utilisé pour la conception chimique ciblée de nouveaux matériaux pour des applications électrochimiques, " a ajouté le scientifique.