Grafen är perfekt selektiv för protoner och blockerar även de minsta jonerna som klor, Det visar forskning vid University of Manchester. Detta resultat kommer att vara viktigt för utvecklingen av grafenbaserade membran för tillämpningar som sträcker sig från bränsleceller till avsaltning.

Skriver in Naturkommunikation , ett team ledd av Dr Marcelo Lozada-Hidalgo och professor Andre Geim visar att 2D-material som grafen och hexagonal bornitrid, även känd som "vit grafen, "är ogenomträngliga för alla joner. Endast protoner kan transportera genom dessa kristaller, vilket möjliggör membran med perfekt protonselektivitet.

Forskarna hade tidigare funnit att protoner lätt tränger igenom grafens kristallgitter. Dock, det förblev okänt om andra små joner kunde genomborra det täta kristallgitteret i dessa material. Nu har forskarna hittat bara protoner kan.

Förutom dess relevans för utvecklingen av 2D-kristallmembran, arbetet stöder vidare den tidigare slutsatsen att hål i kristallgitteret inte är nödvändiga för protontransport genom 2-D-kristaller. Själva 2D-kristallen är mycket genomsläpplig för protoner.

Lucas Mogg, en Ph.D. student på projektet och den första författaren till tidningen sa:"I våra experiment, 2D-kristallmembranen separerar reservoarer som innehåller både protoner och klorjoner. Dessa reservoarer är praktiskt taget oändliga jämfört med storleken på vårt 2D-kristallmembran. Vi blev mycket förvånade över att se att en barntjock tjock barriär var tillräckligt för att stoppa alla klorjoner från att passera. Även tjocka polymermembran speciellt utformade för att separera joner misslyckas ibland med att uppnå sådan perfekt selektivitet."

Dessa fynd är relevanta för teoriutvecklingen inom området 2-D jonledare, tillägger Dr Lozada-Hidalgo. "Våra resultat visar definitivt att protontransport genom de tvådimensionella kristallerna sker genom deras bulk och inte kräver atomskaliga defekter. Detta är en viktig utveckling i vår förståelse av interaktionen mellan joner och atomärt tunna kristaller med implikationer som sträcker sig väl. bortom den aktuella studien."

Resultaten anses också vara viktiga för utvecklingen av ett brett spektrum av applikationer som använder grafen som membranmaterial. "Våra resultat har implikationer för teknologier som använder grafen som ett membranmaterial. Den snabba protongenomträngningen av protoner genom den orörda 2D-kristallmassan tas vanligtvis inte i beaktande. Men, det kan vara viktigt för att designa och optimera dessa membran, särskilt när man arbetar under sura förhållanden, " förklarar Marcelo Lozada-Hidalgo.

Forskarna är entusiastiska över de möjligheter som detta arbete öppnar. De tror att många fler kristaller skulle kunna studeras med ett liknande tillvägagångssätt. De flesta 2D-kristaller förblir outforskade ur detta perspektiv. Forskarna tror att fler oväntade fenomen och nya tillämpningar kan hittas i dessa nya material.