Cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, Skoltech, e o Instituto Conjunto para Altas Temperaturas da Academia Russa de Ciências conduziram um estudo teórico dos efeitos dos defeitos do grafeno na transferência de elétrons na interface grafeno-solução. Seus cálculos mostram que os defeitos podem aumentar a taxa de transferência de carga em uma ordem de magnitude. Além disso, variando o tipo de defeito, é possível catalisar seletivamente a transferência de elétrons para uma certa classe de reagentes em solução. Isso pode ser muito útil para criar sensores eletroquímicos e eletrocatalisadores eficientes. Os resultados foram publicados em Electrochimica Acta .

O carbono é amplamente utilizado em eletroquímica. Um novo tipo de eletrodos à base de carbono, feito de grafeno, tem grande potencial para biossensores, fotovoltaica, e células eletroquímicas. Por exemplo, o grafeno quimicamente modificado pode ser usado como um análogo barato e eficaz de catalisadores de platina ou irídio em células de combustível e baterias de metal-ar.

As características eletroquímicas do grafeno dependem fortemente de sua estrutura química e propriedades eletrônicas, que têm um impacto significativo na cinética dos processos redox. O interesse em estudar a cinética da transferência heterogênea de elétrons na superfície do grafeno foi recentemente estimulado por novos dados experimentais que mostram a possibilidade de acelerar a transferência em defeitos estruturais, como vagas, bordas de grafeno, heteroátomos de impureza, e grupos funcionais contendo oxigênio.

Um artigo recente co-autoria de três cientistas russos apresenta um estudo teórico da cinética da transferência de elétrons na superfície do grafeno com vários defeitos:vacâncias simples e duplas, o defeito Stone-Wales, impurezas de nitrogênio, e grupos epóxi e hidroxila. Todas essas mudanças afetaram significativamente a constante da taxa de transferência. O efeito mais pronunciado foi associado a uma única vaga:A taxa de transferência foi prevista para crescer em uma ordem de magnitude em relação ao grafeno sem defeitos. Este aumento só deve ser observado para processos redox com um potencial padrão de -0,2 volts a 0,3 volts - em relação ao eletrodo de hidrogênio padrão. Os cálculos também mostraram que, devido à baixa capacitância quântica da folha de grafeno, a cinética de transferência de elétrons pode ser controlada alterando a capacitância da bicamada.

"Em nossos cálculos, tentamos estabelecer uma relação entre a cinética de transferência heterogênea de elétrons e as mudanças nas propriedades eletrônicas do grafeno causadas por defeitos. Descobriu-se que a introdução de defeitos em uma folha de grafeno puro pode levar a um aumento na densidade dos estados eletrônicos próximos ao nível de Fermi e catalisar a transferência de elétrons, "disse o Professor Associado Sergey Kislenko do Departamento de Física de Processos de Alta Temperatura, MIPT.

"Também, dependendo do tipo de defeito, ela afeta a densidade dos estados eletrônicos em várias regiões de energia de maneiras diferentes. Isso sugere a possibilidade de implementar catálise eletroquímica seletiva. Acreditamos que esses efeitos podem ser úteis para aplicações de sensores eletroquímicos, e o aparato teórico que estamos desenvolvendo pode ser usado para design químico direcionado de novos materiais para aplicações eletroquímicas, "acrescentou o cientista.