Открытие графена как проницаемого материала для протонов может иметь значительные последствия для производства водорода. Графен, двумерный материал, состоящий из одного атомного слоя углерода, уже привлекал внимание исследователей своими удивительными свойствами. Однако, исследователи из Манчестерского и Уорикского университетов смогли разгадать загадку, связанную с проницаемостью графена для протонов.
Десять лет назад ученые из Манчестерского университета обнаружили, что графен позволяет протонам, ядрам атомов водорода, проникать через свою кристаллическую структуру. Этот результат не соответствовал теоретическим предсказаниям, которые утверждали, что протонам потребуется миллиарды лет для проникновения через плотную структуру графена.
Исследователи из Уорикского университета под руководством профессора Патрика Анвина и Манчестерского университета под руководством доктора Марсело Лосада-Идальго и профессора Андре Гейма исследовали эту проблему более детально. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, показали, что идеальные кристаллы графена действительно проницаемы для протонов.
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.
В настоящее время производство и использование водорода требует дорогих катализаторов и мембран, которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Однако, замена этих материалов на более устойчивые 2D-кристаллы графена может снизить выбросы углекислого газа и способствовать достижению Net Zero путем производства зеленого водорода.
Для измерения протонных токов исследователи использовали метод, называемый сканирующей электрохимической клеточной микроскопией (SECCM). Этот метод позволил им визуализировать пространственное распределение протонных токов через графеновые мембраны. Результаты исследования опровергли предположения некоторых ученых о том, что протоны проникают через дыры в структуре графена.
Доктор Лозада-Идальго сказал: «Мы фактически растягиваем сетку атомного масштаба и наблюдаем более высокий ток через растянутые межатомные пространства в этой сетке — это ошеломляет».
Профессор Анвин прокомментировал: «Эти результаты демонстрируют, что SECCM, разработанный в нашей лаборатории, является мощным методом получения микроскопического понимания электрохимических интерфейсов, который открывает захватывающие возможности для проектирования мембран и сепараторов следующего поколения, включающих протоны».
Авторы воодушевлены потенциалом этого открытия для создания новых технологий на основе водорода.
Доктор 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».
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться. А если есть желание поддержать проект более весомо, приглашаю на наш Бусти!