El grafeno defectuoso tiene una alta actividad electrocatalítica
Estudio de la cinética de la transferencia de electrones en la superficie del grafeno con varios defectos
Científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Skoltech, y el Instituto Conjunto de Altas Temperaturas de la Academia Rusa de Ciencias han llevado a cabo un estudio teórico de los efectos de los defectos del grafeno en la transferencia de electrones en la interfaz grafeno-solución. Sus cálculos muestran que los defectos pueden aumentar la tasa de transferencia de carga en un orden de magnitud. Además, al variar el tipo de defecto, es posible catalizar selectivamente la transferencia de electrones a una determinada clase de reactivos en solución. Esto puede ser muy útil para crear sensores electroquímicos y electrocatalizadores eficientes.
Esto es grafeno defectuoso.
Daria Sokol/MIPT Press Office
El carbono se utiliza ampliamente en electroquímica. Un nuevo tipo de electrodos basados en el carbono, hechos de grafeno, tiene un gran potencial para los biosensores, la energía fotovoltaica y las células electroquímicas. Por ejemplo, el grafeno modificado químicamente puede utilizarse como un análogo barato y eficaz de los catalizadores de platino o iridio en las pilas de combustible y las baterías de metal-aire.
Las características electroquímicas del grafeno dependen en gran medida de su estructura química y sus propiedades electrónicas, que tienen un impacto significativo en la cinética de los procesos redox. El interés por estudiar la cinética de la transferencia de electrones heterogéneos 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 del grafeno, heteroátomos de impurezas y grupos funcionales que contienen oxígeno.
En un documento reciente, del que son coautores tres científicos rusos, se presenta un estudio teórico de la cinética de la transferencia de electrones en la superficie del grafeno con diversos defectos: vacíos simples y dobles, el defecto de Stone-Wales, impurezas de nitrógeno, grupos epoxídicos e hidroxílicos. Todos estos cambios afectaron significativamente la constante de la tasa de transferencia. El efecto más pronunciado se asoció a una sola vacante: Se predijo que la tasa de transferencia crecería en un orden de magnitud en relación con el grafeno libre de defectos. Este aumento sólo debería observarse para los 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 puede ser controlada cambiando la capacitancia de la bicapa.
"En nuestros cálculos, tratamos de establecer una relación entre la cinética de la transferencia de electrones heterogénea y los cambios en las propiedades electrónicas del grafeno causados por defectos. Resultó que la introducción de defectos en una hoja de grafeno prístina puede conducir a un aumento de la densidad de los 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 a través de varias regiones de energía de diferentes maneras. Esto sugiere la posibilidad de implementar una catálisis electroquímica selectiva. Creemos que estos efectos pueden ser útiles para las aplicaciones de sensores electroquímicos, y el aparato teórico que estamos desarrollando puede utilizarse para el diseño químico selectivo de nuevos materiales para aplicaciones electroquímicas", añadió el científico.
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