Открытие графена может помочь дешево и устойчиво генерировать водород

Исследователи из Университета Уорика и Манчестерского университета наконец решили давнюю загадку того, почему графен гораздо более проницаем для протонов, чем ожидалось теорией.

Десять лет назад ученые из Манчестерского университета продемонстрировали, что графен проницаем для протонов — ядер атомов водорода.

Неожиданный результат вызвал споры в обществе, поскольку теория предсказывала, что протону потребуются миллиарды лет, чтобы проникнуть через плотную кристаллическую структуру графена. Это привело к предположению, что протоны проникают не через саму кристаллическую решетку, а через отверстия в ее структуре.

Теперь, записывая в Nature, результат сотрудничества между Уорикским университетом под руководством профессора Патрика Анвина и Манчестерским университетом под руководством доктора Марсело Лосада-Идальго и профессора Андре Гейма, сообщает об измерениях транспорта протонов через графен со сверхвысоким пространственным разрешением и доказывает, что идеальные кристаллы графена проницаемы для протонов. Неожиданно протоны сильно ускоряются вокруг наноразмерных морщин и ряби в кристалле.

Это открытие может ускорить развитие водородной экономики. Дорогие катализаторы и мембраны, иногда оказывающие значительное воздействие на окружающую среду, которые в настоящее время используются для производства и использования водорода, могут быть заменены более устойчивыми 2D-кристаллами, что позволит сократить выбросы углекислого газа и внести свой вклад в Net Zero за счет производства зеленого водорода.

Команда использовала метод, известный как сканирующая электрохимическая клеточная микроскопия (SECCM), для измерения мельчайших протонных токов, собранных с областей нанометрового размера. Это позволило исследователям визуализировать пространственное распределение протонных токов через графеновые мембраны.

Если бы транспорт протонов происходил через дыры, как предполагали некоторые ученые, токи были бы сконцентрированы в нескольких изолированных местах. Таких изолированных пятен обнаружено не было, что исключало наличие дырок в графеновых мембранах.

Доктора. Сегун Вахаб и Энрико Давидди, ведущие авторы статьи, прокомментировали: «Мы были удивлены, не увидев абсолютно никаких дефектов в кристаллах графена. Наши результаты предоставляют микроскопическое доказательство того, что графен по своей природе проницаем для протонов».

Неожиданно было обнаружено, что протонные токи ускоряются вокруг морщин нанометрового размера в кристаллах. Ученые обнаружили, что это происходит потому, что морщины эффективно «растягивают» решетку графена, обеспечивая тем самым большее пространство для проникновения протонов через первозданную кристаллическую решетку. Это наблюдение теперь согласовывает эксперимент и теорию.

Лозада-Идальго сказал: «Мы фактически растягиваем сетку атомного масштаба и наблюдаем более высокий ток через растянутые межатомные пространства в этой сетке — это действительно ошеломляет».

Анвин прокомментировал: «Эти результаты демонстрируют, что SECCM, разработанный в нашей лаборатории, является мощным методом получения микроскопического понимания электрохимических интерфейсов, который открывает захватывающие возможности для разработки мембран и сепараторов следующего поколения, включающих протоны».

Авторы воодушевлены потенциалом этого открытия для создания новых технологий на основе водорода. Лозада-Идальго сказал: «Использование каталитической активности ряби и складок в 2D-кристаллах является принципиально новым способом ускорения транспорта ионов и химических реакций. Это может привести к разработке недорогих катализаторов для технологий, связанных с водородом».

- Этот пресс-релиз был первоначально опубликован на веб-сайте Уорикского университета.