Sorprendentemente, el grafeno podría ayudar a generar hidrógeno de forma económica y sostenible

Y los investigadores lo descubrieron. grafeno Naturalmente permite el transporte de protones, especialmente a su alrededor. nanoescala arrugas. Este descubrimiento podría revolucionar la economía del hidrógeno al ofrecer alternativas sostenibles a los catalizadores y membranas existentes.

científicos de Universidad de Warwick Y la Universidad de Manchester finalmente ha resuelto el viejo misterio de por qué el grafeno es más permeable a los protones de lo que teóricamente se esperaba.

La historia comenzó hace una década, cuando científicos de la Universidad de Manchester demostraron que el grafeno es permeable a los protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno.

Este resultado fue inesperado y contradijo las predicciones teóricas de que se necesitarían miles de millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno. Debido a esta asimetría, existía la teoría de que los protones podrían penetrar a través de pequeños agujeros, o pequeños agujeros, en la estructura del grafeno en lugar de a través de la propia red cristalina.

En una publicación reciente en la revista naturaleza, un esfuerzo conjunto entre la Universidad de Warwick, dirigida por el profesor Patrick Unwin, y la Universidad de Manchester, dirigida por el Dr. Marcelo Lozada Hidalgo y el profesor Andre Gem, presentaron sus hallazgos. Utilizando mediciones de alta resolución espacial, demostraron de manera concluyente que los cristales de grafeno perfectos permiten el transporte de protones. Y en un giro sorprendente, también descubrieron que los protones se aceleran fuertemente alrededor de las arrugas y ondulaciones a nanoescala en el cristal de grafeno.

Heterogeneidad inesperada del transporte de protones a través de cristales 2D. crédito: naturaleza /doi: 10.1038/s41586-023-06247-6

Implicaciones para la economía del hidrógeno

Este descubrimiento pionero es de gran importancia para la economía del hidrógeno. Los mecanismos actuales para la generación y utilización del hidrógeno a menudo dependen de costosos catalizadores y membranas, algunos de los cuales tienen impactos ambientales notables. Reemplazarlo con cristales 2D sostenibles como el grafeno puede desempeñar un papel fundamental a la hora de impulsar la producción de hidrógeno verde, reduciendo así las emisiones de carbono y ayudando a la transición hacia un entorno neutro en carbono.

Para llegar a sus conclusiones, los investigadores utilizaron microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM). Esta técnica les permitió medir pequeñas corrientes de protones en regiones de tamaño nanométrico, lo que les permitió a los investigadores visualizar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de las membranas de grafeno.

Si el movimiento del protón se limitara a los agujeros del grafeno, se podrían aislar corrientes en regiones específicas. Sin embargo, no se han observado corrientes concentradas de este tipo, lo que desacredita la teoría de los agujeros presentes en las estructuras del grafeno.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red bidimensional en forma de panal. Es conocido por su notable resistencia, conductividad y delgadez, lo que lo convierte en uno de los materiales más prometedores y versátiles en los campos de la ciencia y la tecnología.

Comentarios y notas de los investigadores.

El Dr. Segun Wahab y el Dr. Enrico Davide, autores principales del estudio, expresaron su sorpresa por la ausencia de defectos en los cristales de grafeno y dijeron: «Nos sorprendió no ver ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan evidencia microscópica de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones.

Inesperadamente, se encontraron corrientes de protones acelerándose alrededor de arrugas de tamaño nanométrico en los cristales. Los científicos descubrieron que esto se debe a que las arrugas «estiran» efectivamente la red de grafeno, proporcionando así más espacio para que los protones penetren a través de la red cristalina original. Esta observación ahora reconcilia experimento y teoría.

«Estamos efectivamente estirando una red a escala atómica y estamos observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos extendidos en esta red; es realmente alucinante», dijo el Dr. Lozada Hidalgo.

El profesor Unwin comentó: «Estos resultados muestran a SECCM, que se desarrolló en nuestro laboratorio, como una técnica poderosa para obtener información microscópica sobre interfaces electroquímicas, lo que abre posibilidades interesantes para diseñar membranas y separadores de próxima generación que incorporen protones».

El equipo es optimista acerca de cómo este descubrimiento puede allanar el camino para nuevas tecnologías del hidrógeno.

El Dr. Lozada Hidalgo dijo: «Explotar la actividad catalítica de ondulaciones y arrugas en cristales 2D es una forma fundamentalmente nueva de acelerar el transporte de iones y las reacciones químicas. Esto podría conducir al desarrollo de catalizadores de bajo costo para tecnologías relacionadas con el hidrógeno.

Referencia: “Transporte de protones a través de ondas a nanoescala en cristales bidimensionales” por OJ Wahab, E. Daviddi, B. Xin, PZ Sun, E. Griffin, AW Colburn, D. Barry, M. Yagmurcukardes, FM Peeters, AK Geim, Disponible aquí M Lozada-Hidalgo y BR Unwin, 23 de agosto de 2023, Disponible aquí. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06247-6