背景
碳元素在电化学中被广泛使用。例如，笔者曾介绍过日本东京理科大学的科学家发现，在水基电池中采用导电纳米金刚石作为电极材料，可显著提升电池的能量存储能力。金刚石是在高温高压条件下形成的碳元素单质晶体。在金刚石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。
与金刚石一样，石墨烯也是由碳原子组成，但却有着不同的结构。它是由碳原子组成的六角形蜂巢状结构。由于具有导电导热性好、机械强度高、超薄透明、柔性可弯曲等优势，石墨烯一度被誉为“新材料之王”。
有研究人员称，基于石墨烯的电极材料具有电势低、抗腐蚀、电子迁移电阻低、剩余电流小、电势窗口宽，化学稳定性好，化学功能化潜力大等优势。因此，由石墨烯制成的新型碳基电极，非常有望应用于生物传感器、光伏电池、电化学电池等领域。
美国麻省理工学院开发一款有机太阳能电池，它具有具有透明、柔性的石墨烯电极。（图片来源：MIT）
英国曼彻斯特大学开发的一款柔性超级电容，采用导电的石墨烯氧化物油墨直接打印在纺织品上。（图片来源：曼彻斯特大学）
通过化学手段修改的石墨烯，可以廉价且有效地模仿燃料电池和金属空气电池中的铂或铱催化剂。石墨烯的电化学特性强烈依赖其化学结构和电子特性，化学结构与电子特性对于氧化还原过程的动力学有着显著的影响。最近，新的实验数据表明，在空位、石墨烯边缘、杂质异质原子以及含氧官能团等结构缺陷中加速电子转移是有可能的，从而激起了研究人员研究石墨烯表面非匀质电子转移动力学的兴趣。
创新
近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）、俄罗斯斯科尔科沃科技学院（Skoltech）、俄罗斯科学院高温联合研究所的科学家们展开了一项理论研究，该研究是关于石墨烯中缺陷对石墨烯溶液界面上电子转移的影响。他们的计算表明，这些缺陷可以增加电荷转移率达一个数量级。此外，改变缺陷的类型，可以有选择性地促进电子转移至溶液中的某种试剂。这一研究成果发表在《Electrochimica Acta》杂志上。
具有缺陷的石墨烯
技术
最近，由三位俄罗斯科学家合著的一篇论文，对于在具有各种缺陷（单双空位、Stone-Wales 缺陷、氮杂质、环氧基和羟基功能团）的石墨烯表面上的电子转移动力学进行了理论研究。所有这些变化都显著影响迁移速率常数。最明显的效果是与单一空位相关：转移率预计相对于无缺陷的石墨烯将增加一个数量级（图1）。
相对于标准的氢电极，这种提升只能在具有（0.2 伏 ~ 0.3 伏）标准电势的氧化还原过程中观察到。这些计算也表明，由于石墨烯薄片的量子电容较低，所以电子转移动力学可以通过改变双层的电容来控制。
价值
这一研究成果对于创造高效的电化学传感器和电催化剂来说非常有用。
MIPT 高温过程物理学系副教授 Sergey Kislenko 表示：“在计算中，我们尝试建立一种‘非匀质电子转移的动力学’与‘由缺陷引起的石墨烯电子特性变化’之间的关联。结果表明，将缺陷引入到原始的石墨烯薄片中，将导致费米能级附近的电子态密度提升，并促进电子转移。”
这位科学家补充道：“此外，不同的缺陷种类，也将以不同的方式，跨越不同的能量区域，影响电子态密度。这表明有可能实现选择性电化学催化。我们相信，这些效果将对于电化学传感器应用有用，并且我们正在开发的理论装置能用于电化学应用所需的新材料的靶向化学设计。”