Forskare vid University of Manchester har upptäckt en annan ny och oväntad fysisk effekt i grafen - membran som kan användas i enheter för att artificiellt efterlikna fotosyntes.

De nya fynden visade en ökning av hastigheten med vilken materialet leder protoner när det helt enkelt belyses med solljus. "foto-proton"-effekten, som det har blivit dubbat, skulle kunna utnyttjas för att designa enheter som direkt kan skörda solenergi för att producera vätgas, ett lovande grönt bränsle. Det kan även vara av intresse för andra applikationer, såsom ljusinducerad vattenklyvning, fotokatalys och för att göra nya typer av högeffektiva fotodetektorer.

Grafen är ett ark med kolatomer som bara är en atom tjockt och har många unika fysiska och mekaniska egenskaper. Det är en utmärkt ledare av elektroner och kan absorbera ljus av alla våglängder.

Forskare fann nyligen att det också är permeabelt för termiska protoner (väteatomernas kärnor), vilket innebär att det kan användas som ett protonledande membran i olika teknikapplikationer.

För att ta reda på hur ljus påverkar beteendet hos protoner som tränger igenom kolskiktet, ett team ledd av Dr Marcelo Lozada-Hidalgo och professor Sir Andre Geim tillverkade orörda grafenmembran och dekorerade dem på ena sidan med platinananopartiklar. Manchester-forskarna blev förvånade över att finna att protonledningsförmågan hos dessa membran förbättrades 10 gånger när de belystes med solljus.

Dr. Lozada-Hidalgo sa:"Den överlägset mest intressanta tillämpningen är att producera väte i ett artificiellt fotosyntetiskt system baserat på dessa membran."

Prof Geim är också optimistisk:"Detta är i huvudsak ett nytt experimentellt system där protoner, elektroner och fotoner är alla packade tillsammans i en atomärt tunn volym. Jag är säker på att det finns mycket ny fysik att gräva fram, och nya ansökningar kommer att följa."

Forskare runt om i världen är upptagna med att undersöka hur man direkt kan använda solenergi för att producera förnybara bränslen (som väte) genom att efterlikna fotosyntes i växter. Dessa konstgjorda "löv" kommer att kräva membran med mycket sofistikerade egenskaper – inklusive blandad proton-elektronkonduktivitet, permeabilitet för gaser, mekanisk robusthet och optisk transparens.

För närvarande, forskare använder en blandning av proton- och elektronledande polymerer för att göra sådana strukturer, men dessa kräver några viktiga avvägningar som kan undvikas genom att använda grafen.

Med hjälp av elektriska mätningar och masspektrometri, forskarna säger att de mätte en fotoresponsivitet på cirka 104 A/W, vilket leder till att omkring 5000 vätemolekyler bildas som svar på varje solfoton (ljuspartikel) som faller in på membranet. Detta är ett enormt antal om man jämför med de befintliga solceller där många tusentals fotoner behövs för att producera bara en enda vätemolekyl.

"Vi visste att grafen absorberar ljus från alla frekvenser och att det också är genomträngligt för protoner, men det fanns ingen anledning för oss att förvänta oss att fotonerna som absorberas av materialet skulle kunna öka genomträngningshastigheten för protoner genom det." säger Lozada-Hidalgo.

"Resultatet är ännu mer överraskande när vi insåg att membranet var många storleksordningar känsligare för ljus än enheter som är specifikt utformade för att vara ljuskänsliga. Exempel på sådana enheter inkluderar kommersiella fotodioder eller de som är gjorda av nya 2D-material ."

Fotodetektorer skördar vanligtvis ljus för att bara producera elektricitet, men grafenmembran producerar både elektricitet och, som en biprodukt, väte. Hastigheten med vilken de reagerar på ljus i mikrosekundersområdet är snabbare än de flesta kommersiella fotodioder.