Co zaskakujące, grafen może pomóc w taniej i zrównoważonej produkcji wodoru

Naukowcy udowodnili obecnie, że grafen jest naturalnie przepuszczalny dla protonów. Korzystając z techniki zwanej skaningową elektrochemiczną mikroskopią komórkową, zaobserwowali, że protony nie tylko przemieszczają się przez kryształ grafenu, ale także przyspieszają wokół jego zmarszczek w nanoskali. Odkrycie to, podważające wcześniejsze teorie, niesie ze sobą ogromny potencjał w zakresie poprawy gospodarki wodorowej poprzez zastąpienie kosztownych i szkodliwych dla środowiska katalizatorów i membran zrównoważonymi kryształami 2D.

I naukowcy to odkryli grafen W naturalny sposób umożliwia transport protonów, zwłaszcza wokół niego nanoskala zmarszczki. To odkrycie może zrewolucjonizować gospodarkę wodorową, oferując zrównoważone alternatywy dla istniejących katalizatorów i membran.

naukowcy z Uniwersytetu w Warwick Uniwersytet w Manchesterze w końcu rozwiązał długoletnią zagadkę, dlaczego grafen jest bardziej przepuszczalny dla protonów, niż teoretycznie oczekiwano.

Historia zaczęła się dziesięć lat temu, kiedy naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze wykazali, że grafen przepuszcza protony, jądra atomów wodoru.

Wynik ten był nieoczekiwany i zaprzeczał przewidywaniom teoretycznym, że przejście protonu przez gęstą strukturę krystaliczną grafenu zajmie miliardy lat. Z powodu tej asymetrii istniała teoria, że ​​protony mogą przenikać przez maleńkie dziury w strukturze grafenu, a nie przez samą sieć krystaliczną.

W niedawnej publikacji w czasopiśmie Naturaw ramach wspólnego wysiłku Uniwersytetu w Warwick pod przewodnictwem profesora Patricka Unwina oraz Uniwersytetu w Manchesterze pod przewodnictwem dr Marcelo Lozady Hidalgo i profesora Andre Gem’a przedstawili swoje ustalenia. Korzystając z pomiarów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, ostatecznie wykazali, że doskonałe kryształy grafenu rzeczywiście umożliwiają transport protonów. W zaskakujący sposób odkryli również, że protony silnie przyspieszają wokół nanozmarszczek i zmarszczek w krysztale grafenu.

Nieoczekiwana niejednorodność transportu protonów przez kryształy 2D. kredyt: Natura / doi: 10.1038/s41586-023-06247-6

Implikacje dla gospodarki wodorowej

To pionierskie odkrycie ma ogromne znaczenie dla gospodarki wodorowej. Obecne mechanizmy wytwarzania i wykorzystania wodoru często opierają się na kosztownych katalizatorach i membranach, a niektóre z nich mają zauważalny wpływ na środowisko. Zastąpienie go zrównoważonymi kryształami 2D, takimi jak grafen, może odegrać kluczową rolę w zwiększeniu produkcji zielonego wodoru, zmniejszając w ten sposób emisję dwutlenku węgla i ułatwiając przejście na środowisko neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla.

Aby wyciągnąć swoje wnioski, naukowcy wykorzystali skaningową elektrochemiczną mikroskopię komórkową (SECCM). Technika ta umożliwiła pomiar małych prądów protonowych w obszarach o wielkości nanometrów, co umożliwiło badaczom wizualizację przestrzennego rozkładu prądów protonowych na membranach grafenowych.

Gdyby ruch protonu ograniczył się do dziur w grafenie, prądy można byłoby wyizolować w określonych obszarach. Nie zaobserwowano jednak takich skoncentrowanych prądów, co podważa teorię dziur występujących w strukturach grafenu.

Co to jest grafen?

Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w dwuwymiarową siatkę o strukturze plastra miodu. Jest znany ze swojej niezwykłej wytrzymałości, przewodności i cienkości, co czyni go jednym z najbardziej obiecujących i wszechstronnych materiałów w dziedzinie nauki i technologii.

Komentarze i notatki badaczy

Dr Segun Wahab i dr Enrico Davide, główni autorzy badania, wyrazili swoje zdziwienie brakiem defektów w kryształach grafenu, mówiąc: „Byliśmy zaskoczeni, gdy nie zauważyliśmy żadnych defektów w kryształach grafenu. Nasze wyniki dostarczają mikroskopijnych dowodów na to, że grafen jest z natury przepuszczalny dla protonów.

Nieoczekiwanie odkryto, że strumienie protonów przyspieszają wokół zmarszczek kryształów o wielkości nanometrów. Naukowcy odkryli, że dzieje się tak, ponieważ zmarszczki skutecznie „rozciągają” siatkę grafenową, zapewniając w ten sposób więcej miejsca dla protonów na przenikanie przez pierwotną sieć krystaliczną. Ta obserwacja godzi teraz eksperyment i teorię.

„Efektywnie rozciągamy siatkę w skali atomowej i obserwujemy wyższy prąd w rozszerzonych przestrzeniach międzyatomowych w tej siatce — to naprawdę zadziwiające” – stwierdziła dr Lozada Hidalgo.

Profesor Unwin skomentował: „Wyniki te pokazują, że opracowana w naszym laboratorium SECCM jest potężną techniką uzyskiwania mikroskopijnego wglądu w interfejsy elektrochemiczne, otwierającą ekscytujące możliwości projektowania membran i separatorów nowej generacji zawierających protony”.

Zespół optymistycznie patrzy na to, jak to odkrycie może utorować drogę nowym technologiom wodorowym.

Dr Lozada Hidalgo powiedziała: „Wykorzystanie aktywności katalitycznej zmarszczek i zmarszczek w kryształach 2D to całkowicie nowy sposób przyspieszenia transportu jonów i reakcji chemicznych. Może to doprowadzić do opracowania tanich katalizatorów do technologii związanych z wodorem.

Odniesienie: „Transport protonów przez zmarszczki w nanoskali w dwuwymiarowych kryształach”: OJ Wahab, E. Daviddi, B. Xin, PZ Sun, E. Griffin, AW Colburn, D. Barry, M. Yagmurcukardes, FM Peeters, AK Geim, Dostępne tutaj M Lozada-Hidalgo i BR Unwin, 23 sierpnia 2023 r., Dostępne tutaj. Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06247-6