Honeycomb -strukturen hos orörd grafen är vacker, men forskare från Northwestern University, tillsammans med medarbetare från fem andra institutioner, har upptäckt att om grafen naturligtvis har några små hål i den, du har ett protonselektivt membran som kan leda till förbättrade bränsleceller.

En stor utmaning inom bränslecellstekniken är att effektivt skilja protoner från väte. I en studie av ettlagers grafen och vatten, de nordvästra forskarna fann att något ofullkomliga grafen kör protoner - och bara protoner - från ena sidan av grafenmembranet till den andra på bara några sekunder. Membranets hastighet och selektivitet är mycket bättre än konventionella membran, erbjuder ingenjörer en ny och enklare mekanism för bränslecellsdesign.

"Tänk dig en elbil som laddar samtidigt som det tar att fylla en bil med gas, "sa kemisten Franz M. Geiger, som ledde forskningen. "Och ännu bättre - tänk dig en elbil som använder väte som bränsle, inte fossila bränslen eller etanol, och inte el från elnätet, att ladda ett batteri. Vår överraskande upptäckt ger en elektrokemisk mekanism som kan göra dessa saker möjliga en dag. "

Defekt ettlagers grafen, det visar sig, producerar ett membran som är världens tunnaste protonkanal - bara en atom tjock.

"Vi hittade om du bara slår tillbaka grafen lite på perfektion, du får det membran du vill ha, "sa Geiger, professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. "Alla strävar alltid efter att göra riktigt orörd grafen, men våra data visar om du vill få protoner igenom, du behöver mindre perfekt grafen. "

Studien publiceras den 17 mars av tidskriften Naturkommunikation .

Geigers forskargrupp inkluderade medarbetare från nordvästra, Oak Ridge National Laboratory, University of Virginia, University of Minnesota, Pennsylvania State University och University of Puerto Rico.

I atomvärlden för en vattenlösning, protoner är ganska stora, och forskare tror inte att de kan drivas genom ett enda lager av kemiskt perfekt grafen vid rumstemperatur. (Grafen är en form av elementärt kol som består av ett enda platt ark med kolatomer arrangerade i en upprepande sexkant, eller honungskaka, gitter.)

När Geiger och hans kollegor studerade grafen utsatt för vatten, de fann att protoner verkligen rörde sig genom grafen. Med hjälp av banbrytande lasertekniker, avbildningsmetoder och datorsimuleringar, de gav sig ut för att lära sig hur.

Forskarna upptäckte att naturligt förekommande defekter i grafen-där en kolatom saknas-utlöser en kemisk merry-round där protoner från vatten på ena sidan av membranet skjuts till andra sidan på några sekunder. Deras avancerade datasimuleringar visade att detta sker via en klassisk "bucket-line" -mekanism som först föreslogs 1806.

Tunnheten hos den atomtjocka grafen gör det till en snabb resa för protonerna, Sa Geiger. Med konventionella membran, som är hundratals nanometer tjocka, protonval tar minuter - alldeles för lång tid för att vara praktiskt.

Nästa, forskargruppen ställde frågan:Hur många kolatomer behöver vi slå ut ur grafenskiktet för att få protoner att röra sig genom? Bara en handfull i ett kvadratmikron område av grafen, forskarna beräknade.

Att ta bort några kolatomer resulterar i att andra är mycket reaktiva, som startar protontransportprocessen. Bara protoner går igenom de små hålen, vilket gör membranet mycket selektivt. (Konventionella membran är inte särskilt selektiva.)

"Våra resultat kommer inte att göra en bränslecell i morgon, men det ger en mekanism för ingenjörer att designa ett protonseparationsmembran som är mycket mindre komplicerat än vad folk hade trott tidigare, "Sa Geiger." Allt du behöver är något ofullkomligt grafen i ett lager. "