(Phys.org) —Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har skapat en "vätgenerator" i liten skala som använder ljus och en tvådimensionell grafenplattform för att öka produktionen av det svårtillverkade elementet.

Forskningen avslöjade också en tidigare okänd egenskap hos grafen. Den tvådimensionella kedjan av kolatomer ger och tar inte bara emot elektroner, men kan också överföra dem till ett annat ämne.

Väte finns i stort sett överallt på planeten, men elementet är vanligtvis bundet med andra element och måste separeras från syre i H2O för att producera fritt väte. Den kommersiella separationsprocessen använder naturgas för att reagera med överhettad ånga för att ta bort väteatomer som producerar vätebränsle, men också koldioxid - en biprodukt av växthusgaser som släpps ut i atmosfären.

Argonnes generator i ett tidigt skede, består av många små sammansättningar, är ett bevis på att väte kan produceras utan att förbränna fossila bränslen. Skalan är liten, lite mindre än diametern på spindelsilke. Att öka denna forskning i framtiden kan innebära att du kan ersätta gasen i dina bilar och generatorer med väte - ett grönare alternativ, eftersom förbränning av vätebränsle avger endast vattenånga.

"Många forskare letar efter oorganiska material för nya energikällor, "sa Elena Rozhkova, kemist vid Argonnes Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences) användaranläggning. "Vårt mål är att lära av naturen och använda dess material som byggstenar för innovation."

För Rozhkova, just denna byggsten är inspirerad av funktionen hos ett gammalt protein som är känt för att göra ljus till energi. Forskare har länge vetat att vissa encelliga organismer använder ett protein som kallas bakteriorhodopsin (bR) för att absorbera solljus och pumpa protoner genom ett membran, skapa en form av kemisk energi. De vet också att vatten kan delas upp i syre och väte genom att kombinera dessa proteiner med titandioxid och platina och sedan utsätta dem för ultraviolett ljus.

Det finns bara en nackdel:titandioxid reagerar endast i närvaro av ultraviolett ljus, som utgör bara fyra procent av det totala solspektrumet. Om forskarna ville driva sina generatorer med solljus, de skulle behöva förbättra det.

För att producera större mängder väte med synligt ljus, forskarna letade efter ett nytt material. Det nya materialet skulle behöva tillräckligt med ytarea för att flytta elektroner över snabbt och jämnt och öka den totala elektronöverföringseffektiviteten. Forskarna behövde också en plattform där biologiska komponenter, som bR, kunde överleva och ansluta till titandioxidkatalysatorn:kort sagt ett material som grafen.

Graphene är en super stark, superlätt, nära helt genomskinligt ark med kolatomer och en av de bästa ledarna för elektricitet som någonsin upptäckts. Graphene är skyldig sina fantastiska egenskaper för att vara tvådimensionell.

"Graphene har inte bara alla dessa fantastiska egenskaper, men det är också ultratunt och biologiskt inert, "sa Rozhkova." Dess närvaro gjorde att de andra komponenterna kunde sätta ihop sig runt det, som helt förändrar hur elektronerna rör sig genom vårt system. "

Rozhkovas minivätegenerator fungerar så här:både bR-proteinet och grafenplattformen absorberar synligt ljus. Elektroner från denna reaktion överförs till titandioxid på vilken dessa två material är förankrade, gör titandioxiden känslig för synligt ljus.

Samtidigt, ljus från den gröna änden av solspektrumet utlöser bR -proteinet att börja pumpa protoner längs dess membran. Dessa protoner tar sig till platina nanopartiklar som sitter ovanpå titandioxid. Väte produceras genom växelverkan mellan protonerna och elektronerna när de konvergerar på platina.

Undersökningar med en teknik som kallas elektronparamagnetisk resonans (EPR) och tidsupplöst spektroskopi vid Center for Nanoscale Materials verifierade elektronernas rörelser i systemet, medan elektrokemiska studier bekräftade att protonerna överfördes. Tester avslöjade också en ny egenskap av grafenbeteende.

"Majoriteten av forskningen där ute säger att grafen huvudsakligen leder och accepterar elektroner, "sade Argonne postdoktoralforskare Peng Wang." Vår utforskning med EPR tillät oss att bevisa, experimentellt, att grafen också injicerar elektroner i andra material. "

Rozhkovas vätgasgenerator visar att nanoteknik, samman med biologi, kan skapa nya källor till ren energi. Hennes lags upptäckt kan ge framtida konsumenter ett biologiskt inspirerat alternativ till bensin.

"Det här är de typer av upptäckter vi kan göra vid Argonne, "sa Rozhkova." Arbetar inom de grundläggande energivetenskaperna, vi kunde visa ett energirikt biologiskt inspirerat alternativ till gas. "

Denna forskning, "Fotoinducerade elektronöverföringsvägar i väteutvecklande reducerad grafenoxidförstärkt hybrid-nano-biokatalysator, "dök upp i 7 juli -numret av ACS Nano .