Forskare från University of Manchester och University of Warwick löste äntligen det långvariga pusslet om varför grafen är så mycket mer genomsläpplig för protoner än vad teorin förväntar sig.
För ett decennium sedan visade forskare vid University of Manchester att grafen är permeabelt för protoner, kärnor av väteatomer. Det oväntade resultatet startade en debatt i samhället eftersom teorin förutspådde att det skulle ta miljarder år för en proton att tränga igenom grafens täta kristallina struktur. Detta hade lett till förslag om att protoner inte tränger igenom själva kristallgittret, utan genom hålen i dess struktur.
Nu skriver du i Nature , ett samarbete mellan University of Warwick, ledd av Prof Patrick Unwin, och University of Manchester, ledd av Dr Marcelo Lozada-Hidalgo och Prof Andre Geim, rapporterar ultrahög rumslig upplösningsmätningar av protontransport genom grafen och bevisar att perfekt grafenkristaller är permeabla för protoner. Oväntat accelereras protoner kraftigt runt rynkor och krusningar i nanoskala i kristallen.
Upptäckten har potential att påskynda väteekonomin. Dyra katalysatorer och membran, ibland med betydande miljöavtryck, som för närvarande används för att generera och använda väte skulle kunna ersättas med mer hållbara 2D-kristaller, vilket minskar koldioxidutsläppen och bidrar till Net Zero genom generering av grönt väte.
Teamet använde en teknik som kallas scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) för att mäta små protonströmmar som samlats in från nanometerstora områden. Detta gjorde det möjligt för forskarna att visualisera den rumsliga fördelningen av protonströmmar genom grafenmembran. Om protontransport skedde genom hål som vissa forskare spekulerade, skulle strömmarna koncentreras till några isolerade ställen. Inga sådana isolerade fläckar hittades, vilket uteslöt förekomsten av hål i grafenmembranen.
Drs Segun Wahab och Enrico Daviddi, ledande författare till tidningen, kommenterade, "Vi blev förvånade över att se absolut inga defekter i grafenkristallerna. Våra resultat ger mikroskopiska bevis för att grafen är permeabelt för protoner."
Oväntat visade sig protonströmmarna accelereras runt nanometerstora rynkor i kristallerna. Forskarna fann att detta uppstår eftersom rynkorna effektivt "sträcker ut" grafengittret, vilket ger ett större utrymme för protoner att tränga igenom det orörda kristallgittret. Denna observation förenar nu experimentet och teorin.
Dr. Lozada-Hidalgo sa:"Vi sträcker effektivt ett nät i atomskala och observerar en högre ström genom de utsträckta interatomära utrymmena i detta nät - häpnadsväckande."
Prof Unwin kommenterade, "Dessa resultat visar upp SECCM, utvecklat i vårt labb, som en kraftfull teknik för att få mikroskopiska insikter i elektrokemiska gränssnitt, vilket öppnar upp spännande möjligheter för design av nästa generations membran och separatorer som involverar protoner."
Författarna är entusiastiska över denna upptäckts potential för att möjliggöra ny vätebaserad teknik.
Dr. Lozada-Hidalgo sa:"Att utnyttja den katalytiska aktiviteten hos krusningar och rynkor i 2D-kristaller är ett fundamentalt nytt sätt att påskynda jontransport och kemiska reaktioner. Detta kan leda till utvecklingen av lågkostnadskatalysatorer för väterelaterade tekniker."
Mer information: Marcelo Lozada-Hidalgo, Protontransport genom nanoskala korrugeringar i tvådimensionella kristaller, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Manchester
