Grafen - kol som bildas till ark med en enda atomtjocklek - verkar nu vara ett lovande basmaterial för att fånga väte, enligt färsk forskning* vid National Institute of Standards and Technology och University of Pennsylvania. Resultaten tyder på att staplar av grafenlager potentiellt kan lagra väte säkert för användning i bränsleceller och andra applikationer.

Grafen har blivit något av ett kändismaterial de senaste åren på grund av dess ledande, termiska och optiska egenskaper, vilket kan göra det användbart i en rad sensorer och halvledarenheter. Materialet lagrar inte väte bra i sin ursprungliga form, enligt ett team av forskare som studerar det vid NIST Center for Neutron Research. Men om oxiderade grafenark staplas ovanpå varandra som däcken på en parkeringsplats med flera nivåer, sammankopplade av molekyler som båda länkar skikten till varandra och upprätthåller utrymme mellan dem, det resulterande grafenoxidramverket (GOF) kan ackumulera väte i större mängder.

Inspirerad av att skapa GOFs av metall-organiska ramverk som också är under granskning för vätelagring, teamet har precis börjat avslöja de nya strukturernas egenskaper. "Ingen annan har någonsin gjort GOFs, som vi förstår det, " säger NIST-teoretikern Taner Yildirim. "Det vi har hittat hittills, fastän, indikerar att GOF kan innehålla minst hundra gånger fler vätemolekyler än vad vanlig grafenoxid gör. Den enkla syntesen, låg kostnad och icke-toxicitet för grafen gör detta material till en lovande kandidat för gaslagringsapplikationer."

GOF:erna kan behålla 1 procent av sin vikt i väte vid en temperatur på 77 grader Kelvin och vanligt atmosfärstryck - ungefär jämförbart med de 1,2 procent som vissa välstuderade metallorganiska ramverk kan hålla, säger Yildirim.

En annan av teamets potentiellt användbara upptäckter är det ovanliga förhållandet som GOFs uppvisar mellan temperatur och väteabsorption. I de flesta förvaringsmaterial, ju lägre temperatur, desto mer väteupptag sker normalt. Dock, teamet upptäckte att GOFs beter sig helt annorlunda. Även om en GOF kan absorbera väte, den tar inte in betydande mängder vid under 50 Kelvin (-223 grader Celsius). Dessutom, den frigör inget väte under denna "blockerande temperatur" – vilket tyder på att, med ytterligare forskning, GOF kan användas både för att lagra väte och för att frigöra det när det behövs, ett grundläggande krav i bränslecellstillämpningar.

Vissa av GOF:s kapacitet beror på själva länkmolekylerna. Molekylerna som laget använde är alla bensen-boronsyror som interagerar starkt med väte i sin egen rätt. Men genom att hålla flera ångström av utrymme mellan grafenlagren – i likhet med hur pelare håller upp ett tak – ökar de också den tillgängliga ytan för varje lager, ger det fler ställen för vätgas att haka på.

Enligt teamet, GOF:er kommer sannolikt att prestera ännu bättre när teamet utforskar sina parametrar mer i detalj. "Vi kommer att försöka optimera prestanda för GOF och utforska andra länkmolekyler också, säger Jacob Burress, även av NIST. "Vi vill utforska det ovanliga temperaturberoendet av absorptionskinetiken, samt om de kan vara användbara för att fånga upp växthusgaser som koldioxid och gifter som ammoniak."