Grafeen -- koolstof gevormd tot platen van één atoom dik -- lijkt nu een veelbelovend basismateriaal te zijn voor het opvangen van waterstof, volgens recent onderzoek* van het National Institute of Standards and Technology en de University of Pennsylvania. De bevindingen suggereren dat stapels grafeenlagen mogelijk waterstof veilig kunnen opslaan voor gebruik in brandstofcellen en andere toepassingen.

Grafeen is de afgelopen jaren een soort beroemd materiaal geworden vanwege zijn geleidende, thermische en optische eigenschappen, waardoor het bruikbaar zou kunnen zijn in een reeks sensoren en halfgeleiderapparaten. Het materiaal slaat waterstof in zijn oorspronkelijke vorm niet goed op, volgens een team van wetenschappers die het bestuderen in het NIST Center for Neutron Research. Maar als geoxideerde grafeenvellen op elkaar worden gestapeld, zoals de dekken van een parkeerplaats met meerdere niveaus, verbonden door moleculen die beide de lagen met elkaar verbinden en ruimte tussen hen behouden, het resulterende grafeenoxideraamwerk (GOF) kan waterstof in grotere hoeveelheden accumuleren.

Geïnspireerd om GOF's te maken door de metaal-organische kaders die ook worden onderzocht voor waterstofopslag, het team begint net de eigenschappen van de nieuwe structuren te ontdekken. "Niemand anders heeft ooit GOF's gemaakt, voor zover wij weten, " zegt NIST-theoreticus Taner Yildirim. "Wat we tot nu toe hebben gevonden, Hoewel, geeft aan dat GOF's minstens honderd keer meer waterstofmoleculen kunnen bevatten dan gewoon grafeenoxide. De gemakkelijke synthese, lage kosten en niet-toxiciteit van grafeen maken dit materiaal een veelbelovende kandidaat voor gasopslagtoepassingen."

De GOF's kunnen 1 procent van hun gewicht in waterstof vasthouden bij een temperatuur van 77 graden Kelvin en normale atmosferische druk - ongeveer vergelijkbaar met de 1,2 procent die sommige goed bestudeerde metaal-organische raamwerken kunnen bevatten, zegt Yildirim.

Een andere potentieel nuttige ontdekking van het team is de ongebruikelijke relatie die GOF's vertonen tussen temperatuur en waterstofabsorptie. In de meeste opbergmaterialen hoe lager de temperatuur, hoe meer waterstofopname er normaal gesproken plaatsvindt. Echter, het team ontdekte dat GOF's zich heel anders gedragen. Hoewel een GOF waterstof kan absorberen, het neemt geen significante hoeveelheden in bij minder dan 50 Kelvin (-223 graden Celsius). Bovendien, het geeft geen waterstof vrij onder deze "blokkerende temperatuur" - wat suggereert dat, met verder onderzoek, GOF's kunnen zowel worden gebruikt om waterstof op te slaan als om het vrij te geven wanneer dat nodig is, een fundamentele vereiste in brandstofceltoepassingen.

Sommige van de mogelijkheden van de GOF's zijn te danken aan de verbindende moleculen zelf. De moleculen die het team gebruikte zijn allemaal benzeen-boorzuren die op zichzelf een sterke wisselwerking hebben met waterstof. Maar door meerdere angstroms ruimte tussen de grafeenlagen te houden - vergelijkbaar met de manier waarop pilaren een plafond ophouden - vergroten ze ook het beschikbare oppervlak van elke laag, waardoor het meer plekken krijgt voor de waterstof om aan te haken.

Volgens de ploeg GOF's zullen waarschijnlijk nog beter presteren als het team hun parameters in meer detail onderzoekt. "We gaan proberen de prestaties van de GOF's te optimaliseren en ook andere verbindende moleculen te onderzoeken, " zegt Jacob Burress, ook van NIST. "We willen de ongebruikelijke temperatuurafhankelijkheid van absorptiekinetiek onderzoeken, en of ze nuttig kunnen zijn voor het afvangen van broeikasgassen zoals koolstofdioxide en toxines zoals ammoniak."