Παραδόξως, το γραφένιο θα μπορούσε να βοηθήσει στην παραγωγή υδρογόνου φθηνά και βιώσιμα

Και οι ερευνητές το ανακάλυψαν γραφένιο Επιτρέπει φυσικά τη μεταφορά πρωτονίων, ειδικά γύρω από αυτό νανοκλίμακα ρυτίδες. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην οικονομία του υδρογόνου προσφέροντας βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις σε υπάρχοντες καταλύτες και μεμβράνες.

επιστήμονες από Πανεπιστήμιο του Warwick Και το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ έλυσε επιτέλους το μακροχρόνιο μυστήριο του γιατί το γραφένιο είναι πιο διαπερατό στα πρωτόνια από ό,τι αναμενόταν θεωρητικά.

Η ιστορία ξεκίνησε πριν από μια δεκαετία, όταν επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ απέδειξαν ότι το γραφένιο είναι διαπερατό από τα πρωτόνια, τους πυρήνες των ατόμων υδρογόνου.

Αυτό το αποτέλεσμα ήταν απροσδόκητο και έρχεται σε αντίθεση με τις θεωρητικές προβλέψεις ότι θα χρειάζονταν δισεκατομμύρια χρόνια για να περάσει ένα πρωτόνιο μέσα από την πυκνή κρυσταλλική δομή του γραφενίου. Εξαιτίας αυτής της ασυμμετρίας, υπήρχε μια θεωρία ότι τα πρωτόνια θα μπορούσαν να διεισδύσουν μέσω μικροσκοπικών οπών, ή μικροσκοπικών οπών, στη δομή του γραφενίου και όχι μέσω του ίδιου του κρυσταλλικού πλέγματος.

Σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό φύση, μια κοινή προσπάθεια μεταξύ του Πανεπιστημίου του Warwick, με επικεφαλής τον καθηγητή Patrick Unwin, και του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, με επικεφαλής τον Dr Marcelo Lozada Hidalgo και τον καθηγητή Andre Gem, παρουσίασαν τα ευρήματά τους. Χρησιμοποιώντας μετρήσεις υψηλής χωρικής ανάλυσης, απέδειξαν αδιαμφισβήτητα ότι οι τέλειοι κρύσταλλοι γραφενίου επιτρέπουν πράγματι τη μεταφορά πρωτονίων. Και σε μια εκπληκτική συστροφή, ανακάλυψαν επίσης ότι τα πρωτόνια επιταχύνονται έντονα γύρω από τις ρυτίδες και τους κυματισμούς νανοκλίμακας στον κρύσταλλο γραφενίου.

Απροσδόκητη ετερογένεια της μεταφοράς πρωτονίων στους δισδιάστατους κρυστάλλους. πίστωση: φύση / doi: 10.1038/s41586-023-06247-6

Επιπτώσεις για την οικονομία του υδρογόνου

Αυτή η πρωτοποριακή ανακάλυψη έχει μεγάλη σημασία για την οικονομία του υδρογόνου. Οι σημερινοί μηχανισμοί για την παραγωγή και τη χρήση υδρογόνου βασίζονται συχνά σε δαπανηρούς καταλύτες και μεμβράνες, μερικές από τις οποίες έχουν αξιοσημείωτες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η αντικατάστασή του με βιώσιμους δισδιάστατους κρυστάλλους όπως το γραφένιο μπορεί να παίξει καθοριστικό ρόλο στην ενίσχυση της παραγωγής πράσινου υδρογόνου, μειώνοντας έτσι τις εκπομπές άνθρακα και βοηθώντας τη μετάβαση σε ένα περιβάλλον ουδέτερο από άνθρακα.

Για να καταλήξουν στα συμπεράσματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτροχημική κυτταρική μικροσκοπία σάρωσης (SECCM). Αυτή η τεχνική τους επέτρεψε να μετρήσουν μικρά ρεύματα πρωτονίων σε περιοχές μεγέθους νανομέτρων, επιτρέποντας στους ερευνητές να οπτικοποιήσουν τη χωρική κατανομή των ρευμάτων πρωτονίων στις μεμβράνες γραφενίου.

Εάν η κίνηση του πρωτονίου περιοριζόταν στις οπές του γραφενίου, τα ρεύματα θα μπορούσαν να απομονωθούν σε συγκεκριμένες περιοχές. Ωστόσο, δεν έχουν παρατηρηθεί τέτοια συγκεντρωμένα ρεύματα, καταρρίπτοντας έτσι τη θεωρία των οπών που υπάρχουν σε δομές γραφενίου.

Τι είναι το γραφένιο;

Το γραφένιο είναι ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένο σε ένα δισδιάστατο κυψελωτό πλέγμα. Είναι γνωστό για την αξιοσημείωτη αντοχή, αγωγιμότητα και λεπτότητα του, καθιστώντας το ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα και ευέλικτα υλικά στους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας.

Σχόλια και σημειώσεις ερευνητών

Ο Δρ Segun Wahab και ο Dr Enrico Davide, κύριοι συγγραφείς της μελέτης, εξέφρασαν την έκπληξή τους για την απουσία ελαττωμάτων στους κρυστάλλους γραφενίου, λέγοντας: «Εκπλαγήκαμε που δεν είδαμε καθόλου ελαττώματα στους κρυστάλλους γραφενίου. Τα αποτελέσματά μας παρέχουν μικροσκοπικές ενδείξεις ότι το γραφένιο είναι εγγενώς διαπερατό από τα πρωτόνια.

Απροσδόκητα, ροές πρωτονίων βρέθηκαν να επιταχύνονται γύρω από τις ρυτίδες μεγέθους νανομέτρων στους κρυστάλλους. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτό προκύπτει επειδή οι ρυτίδες «τεντώνουν» αποτελεσματικά το πλέγμα γραφενίου, παρέχοντας έτσι περισσότερο χώρο στα πρωτόνια να διαπερνούν το αρχικό κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτή η παρατήρηση συμβιβάζει τώρα το πείραμα και τη θεωρία.

“Τεντώνουμε αποτελεσματικά ένα πλέγμα σε ατομική κλίμακα και παρατηρούμε υψηλότερο ρεύμα μέσω των εκτεταμένων διατομικών χώρων σε αυτό το πλέγμα – είναι πραγματικά συγκλονιστικό”, δήλωσε ο Δρ Lozada Hidalgo.

Ο καθηγητής Unwin σχολίασε: “Αυτά τα αποτελέσματα παρουσιάζουν το SECCM, το οποίο αναπτύχθηκε στο εργαστήριό μας, ως μια ισχυρή τεχνική για τη λήψη μικροσκοπικών γνώσεων σε ηλεκτροχημικές διεπαφές, ανοίγοντας συναρπαστικές δυνατότητες για το σχεδιασμό μεμβρανών επόμενης γενιάς και διαχωριστών που ενσωματώνουν πρωτόνια.”

Η ομάδα είναι αισιόδοξη για το πώς αυτή η ανακάλυψη μπορεί να ανοίξει το δρόμο για νέες τεχνολογίες υδρογόνου.

Ο Δρ Lozada Hidalgo είπε: «Η εκμετάλλευση της καταλυτικής δραστηριότητας των κυματισμών και των ρυτίδων σε κρυστάλλους 2D είναι ένας θεμελιωδώς νέος τρόπος για να επιταχυνθεί η μεταφορά ιόντων και οι χημικές αντιδράσεις. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη καταλυτών χαμηλού κόστους για τεχνολογίες που σχετίζονται με το υδρογόνο.

Αναφορά: «Μεταφορά πρωτονίων μέσω κυματισμών νανοκλίμακας σε δισδιάστατους κρυστάλλους» από τους OJ Wahab, E. Daviddi, B. Xin, PZ Sun, E. Griffin, AW Colburn, D. Barry, M. Yagmurcukardes, FM Peeters, AK Geim, Διαθέσιμο εδώ. M Lozada-Hidalgo και BR Unwin, 23 Αυγούστου 2023, Διαθέσιμο εδώ. φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-06247-6