Cercetătorii au descoperit că grafenul permite în mod natural transportul protonilor, în special în jurul ridurilor sale la scară nanometrică. Această descoperire ar putea revoluționa economia hidrogenului, oferind alternative durabile la catalizatorii și membranele existente.
Oamenii de știință de la Universitatea din Warwick și de la Universitatea din Manchester au rezolvat, în sfârșit, enigma de lungă durată de ce grafenul este mult mai permeabil la protoni decât se aștepta teoria.
Saga a început în urmă cu un deceniu, când oamenii de știință de la Universitatea din Manchester au demonstrat că grafenul este permeabil la protoni, nucleele atomilor de hidrogen.
Această descoperire a fost neașteptată și a contrazis previziunile teoretice care sugerau că ar fi nevoie de miliarde de ani pentru ca un proton să treacă prin structura cristalină densă a grafenului. Din cauza acestei disparități, a existat o teorie care sugera că protonii ar putea pătrunde prin mici găuri, sau găuri de ac, în structura grafenului, mai degrabă decât prin rețeaua cristalină în sine.
Într-o publicație recentă în revista Nature, un efort comun între Universitatea din Warwick, condusă de profesorul Patrick Unwin, și Universitatea din Manchester, condusă de doctorul Marcelo Lozada-Hidalgo și profesorul Andre Geim, și-a prezentat concluziile în acest sens. Utilizând măsurători cu rezoluție spațială ultra-înaltă, aceștia au demonstrat în mod concludent că cristalele perfecte de grafenă permit într-adevăr transportul de protoni. Într-o întorsătură surprinzătoare, ei au descoperit, de asemenea, că protonii sunt puternic accelerați în jurul ridurilor și ondulațiilor la scară nanometrică prezente în cristalul de grafen.
Implicații pentru economia hidrogenului
Această dezvăluire revoluționară are o importanță imensă pentru economia hidrogenului. Mecanismele actuale de generare și utilizare a hidrogenului se bazează adesea pe catalizatori și membrane costisitoare, unele dintre acestea având un impact notabil asupra mediului. Înlocuirea acestora cu cristale 2D durabile, cum ar fi grafenul, ar putea juca un rol esențial în avansarea producției de hidrogen ecologic, reducând ulterior emisiile de carbon și contribuind la trecerea la un mediu cu emisii nete de carbon zero.
Pentru a ajunge la concluziile lor, cercetătorii au folosit microscopia electrochimică de scanare a celulelor (SECCM). Această tehnică le-a permis să măsoare mici curenți de protoni în regiuni de dimensiuni nanometrice, permițându-le cercetătorilor să vizualizeze distribuția spațială a curenților de protoni prin membranele de grafen.
Dacă mișcarea protonilor ar fi fost limitată la găurile din grafenă, curenții ar fi fost izolați în puncte specifice. Cu toate acestea, nu au fost observați astfel de curenți concentrați, dezmințind teoria privind găurile din structurile de grafenă.
Comentarii și observații ale cercetătorilor
Dr. Segun Wahab și Dr. Enrico Daviddi, autorii principali ai studiului, și-au exprimat uimirea față de absența defectelor în cristalele de grafenă, declarând: „Am fost surprinși să nu vedem absolut niciun defect în cristalele de grafenă. Rezultatele noastre oferă dovada microscopică a faptului că grafenul este intrinsec permeabil la protoni”.
În mod neașteptat, s-a constatat că curenții de protoni au fost accelerați în jurul ridurilor de dimensiuni nanometrice din cristale. Oamenii de știință au descoperit că acest lucru se datorează faptului că ridurile „întind” efectiv rețeaua de grafenă, oferind astfel un spațiu mai mare pentru ca protonii să pătrundă prin rețeaua cristalină imaculată. Această observație reconciliază acum experimentul și teoria.
Dr. Lozada-Hidalgo a spus: „În fapt, întindem o plasă la scară atomică și observăm un curent mai mare prin spațiile interatomice întinse din această plasă – acest lucru este cu adevărat uluitor.”
Prof. Unwin a comentat: „Aceste rezultate arată că SECCM, dezvoltat în laboratorul nostru, este o tehnică puternică pentru a obține informații microscopice despre interfețele electrochimice, ceea ce deschide posibilități interesante pentru proiectarea membranelor și separatoarelor de generație viitoare care implică protoni.”
Echipa este optimistă cu privire la modul în care această descoperire poate deschide calea pentru noi tehnologii pe bază de hidrogen.
Dr. Lozada-Hidalgo a declarat: „Exploatarea activității catalitice a ondulațiilor și a ridurilor din cristalele 2D este o modalitate fundamental nouă de a accelera transportul ionilor și reacțiile chimice. Acest lucru ar putea duce la dezvoltarea de catalizatori cu costuri reduse pentru tehnologiile legate de hidrogen.”