(Phys.org) -Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een kleinschalige "waterstofgenerator" gemaakt die licht en een tweedimensionaal grafeenplatform gebruikt om de productie van het moeilijk te maken element te stimuleren.

Het onderzoek onthulde ook een voorheen onbekende eigenschap van grafeen. De tweedimensionale keten van koolstofatomen geeft en ontvangt niet alleen elektronen, maar kan ze ook in een andere stof omzetten.

Waterstof is vrijwel overal op de planeet, maar het element is typisch gebonden aan andere elementen en moet in H2O van zuurstof worden gescheiden om vrije waterstof te produceren. Het commerciële scheidingsproces maakt gebruik van aardgas om te reageren met oververhitte stoom om waterstofatomen te verwijderen en waterstofbrandstof te produceren, maar ook kooldioxide — een bijproduct van broeikasgassen dat in de atmosfeer terechtkomt.

Argonne's generator in een vroeg stadium, samengesteld uit vele kleine assemblages, is het bewijs dat waterstof kan worden geproduceerd zonder fossiele brandstoffen te verbranden. De schaal is klein, iets kleiner dan de diameter van spinrag. Als u dit onderzoek in de toekomst opschaalt, kan dit betekenen dat u het gas in uw auto's en generatoren kunt vervangen door waterstof - een groenere optie, omdat bij het verbranden van waterstofbrandstof alleen waterdamp wordt uitgestoten.

"Veel onderzoekers zijn op zoek naar anorganische materialen voor nieuwe energiebronnen, " zei Elena Rozhkova, chemicus bij Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences) gebruikersfaciliteit. "Ons doel is om te leren van de natuurlijke wereld en de materialen ervan te gebruiken als bouwstenen voor innovatie."

Voor Rozjkova, deze specifieke bouwsteen is geïnspireerd op de functie van een oud eiwit waarvan bekend is dat het licht in energie omzet. Onderzoekers weten al lang dat sommige eencellige organismen een eiwit genaamd bacteriorodopsine (bR) gebruiken om zonlicht te absorberen en protonen door een membraan te pompen. het creëren van een vorm van chemische energie. Ze weten ook dat water kan worden gesplitst in zuurstof en waterstof door deze eiwitten te combineren met titaniumdioxide en platina en ze vervolgens bloot te stellen aan ultraviolet licht.

Er is slechts één nadeel:titaandioxide reageert alleen in aanwezigheid van ultraviolet licht, die slechts vier procent van het totale zonnespectrum uitmaakt. Als de onderzoekers hun generatoren van zonlicht wilden voorzien, dat zouden ze moeten verbeteren.

Om grotere hoeveelheden waterstof te produceren met zichtbaar licht, de onderzoekers gingen op zoek naar nieuw materiaal. Het nieuwe materiaal zou voldoende oppervlakte nodig hebben om elektronen snel en gelijkmatig te verplaatsen en de algehele efficiëntie van elektronenoverdracht te vergroten. De onderzoekers hadden ook een platform nodig waarop biologische componenten, zoals bR, zou kunnen overleven en zich kunnen verbinden met de titaniumdioxidekatalysator:kortom, een materiaal als grafeen.

Grafeen is een supersterk, Super licht, bijna volledig transparante laag koolstofatomen en een van de beste geleiders van elektriciteit ooit ontdekt. Grafeen dankt zijn verbazingwekkende eigenschappen aan het tweedimensionaal zijn.

"Grafeen heeft niet alleen al deze geweldige eigenschappen, maar het is ook ultradun en biologisch inert, "Zei Rozhkova. "Door zijn aanwezigheid konden de andere componenten zichzelf eromheen assembleren, wat de manier waarop de elektronen door ons systeem bewegen totaal verandert."

Rozhkova's mini-waterstofgenerator werkt als volgt:zowel het bR-eiwit als het grafeenplatform absorberen zichtbaar licht. Elektronen van deze reactie worden overgebracht naar het titaniumdioxide waarop deze twee materialen zijn verankerd, waardoor het titaandioxide gevoelig is voor zichtbaar licht.

Tegelijkertijd, licht van het groene uiteinde van het zonnespectrum triggert het bR-eiwit om protonen langs zijn membraan te pompen. Deze protonen vinden hun weg naar de platina-nanodeeltjes die bovenop het titaniumdioxide zitten. Waterstof wordt geproduceerd door de interactie van de protonen en elektronen wanneer ze samenkomen op het platina.

Onderzoeken met behulp van een techniek genaamd Electron Paramagnetic Resonance (EPR) en tijdopgeloste spectroscopie in het Center for Nanoscale Materials verifieerden de bewegingen van de elektronen in het systeem, terwijl elektrochemische studies bevestigden dat de protonen werden overgedragen. Tests onthulden ook een nieuwe eigenaardigheid van grafeengedrag.

"Het grootste deel van het onderzoek dat er is, stelt dat grafeen voornamelijk elektronen geleidt en accepteert, " zei Argonne postdoctoraal onderzoeker Peng Wang. "Onze verkenning met behulp van EPR stelde ons in staat om te bewijzen, experimenteel, dat grafeen ook elektronen in andere materialen injecteert."

Rozhkova's waterstofgenerator bewijst dat nanotechnologie, samengevoegd met biologie, nieuwe bronnen van schone energie kunnen creëren. De ontdekking van haar team kan toekomstige consumenten een biologisch geïnspireerd alternatief voor benzine bieden.

"Dit zijn de soorten ontdekkingen die we in Argonne kunnen doen, " zei Rozhkova. "Werken in de fundamentele energiewetenschappen, we waren in staat om een ​​energierijk biologisch geïnspireerd alternatief voor gas te demonstreren."

Dit onderzoek, "Foto-geïnduceerde elektronenoverdrachtsroutes in waterstof-evoluerende gereduceerde grafeenoxide-versterkte hybride nano-biokatalysator, " verscheen in het nummer van 7 juli van ACS Nano .