Defekt grafen har høj elektrokatalytisk aktivitet

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, Skoltech, og det russiske videnskabsakademi Joint Institute for High Temperatures har gennemført en teoretisk undersøgelse af virkningerne af defekter i grafen på elektronoverførsel ved grafen-løsning-grænsefladen. Deres beregninger viser, at defekter kan øge gebyroverførselshastigheden med en størrelsesorden. I øvrigt, ved at variere typen af ​​defekt, det er muligt selektivt at katalysere elektronoverførslen til en bestemt klasse af reagenser i opløsning. Dette kan være meget nyttigt til at skabe effektive elektrokemiske sensorer og elektrokatalysatorer. Resultaterne blev offentliggjort i Electrochimica Acta .

Kulstof bruges meget i elektrokemi. En ny type kulstofbaserede elektroder, lavet af grafen, har et stort potentiale for biosensorer, solceller, og elektrokemiske celler. For eksempel, kemisk modificeret grafen kan bruges som en billig og effektiv analog af platin- eller iridiumkatalysatorer i brændselsceller og metal-luftbatterier.

De elektrokemiske egenskaber ved grafen afhænger stærkt af dets kemiske struktur og elektroniske egenskaber, som har en betydelig indvirkning på kinetikken i redoxprocesser. Interessen for at studere kinetikken for heterogen elektronoverførsel på grafenoverfladen er for nylig blevet stimuleret af nye eksperimentelle data, der viser muligheden for at accelerere overførslen ved strukturelle defekter, såsom ledige stillinger, grafenkanter, urenhederoatomer, og oxygenholdige funktionelle grupper.

Et nyligt papir medforfatter af tre russiske videnskabsmænd præsenterer en teoretisk undersøgelse af kinetikken ved elektronoverførsel på overfladen af ​​grafen med forskellige defekter:enkeltstående og dobbelte ledige stillinger, Stone-Wales defekten, nitrogen urenheder, og epoxy- og hydroxylgrupper. Alle disse ændringer påvirkede overførselshastighedskonstanten markant. Den mest udtalte effekt var forbundet med en enkelt ledig stilling:Overførselshastigheden blev forudsagt at vokse med en størrelsesorden i forhold til defektfri grafen. Denne stigning bør kun observeres for redoxprocesser med et standardpotentiale på -0,2 volt til 0,3 volt - i forhold til standardhydrogenelektroden. Beregningerne viste også, at på grund af den lave kvantekapacitans af grafenarket, elektronoverførselskinetikken kan styres ved at ændre kapacitansen i dobbeltlaget.

"I vores beregninger, vi forsøgte at etablere en sammenhæng mellem kinetikken ved heterogen elektronoverførsel og ændringerne i grafens elektroniske egenskaber forårsaget af defekter. Det viste sig, at indføring af defekter i et uberørt grafenark kan føre til en stigning i tætheden af ​​elektroniske tilstande nær Fermi -niveauet og katalysere elektronoverførsel, "sagde lektor Sergey Kislenko fra Institut for Fysik i Højtemperaturprocesser, MIPT.

"Også, afhængigt af typen af ​​fejl, det påvirker tætheden af ​​elektroniske tilstande på tværs af forskellige energiområder på forskellige måder. Dette antyder en mulighed for implementering af selektiv elektrokemisk katalyse. Vi mener, at disse effekter kan være nyttige til elektrokemiske sensorapplikationer, og det teoretiske apparat, vi udvikler, kan bruges til målrettet kemisk design af nye materialer til elektrokemiske applikationer, "tilføjede forskeren.