De honingraatstructuur van ongerept grafeen is prachtig, maar wetenschappers van de Northwestern University, samen met medewerkers van vijf andere instellingen, hebben ontdekt dat als het grafeen van nature een paar kleine gaatjes bevat, je hebt een proton-selectief membraan dat kan leiden tot verbeterde brandstofcellen.

Een grote uitdaging in brandstofceltechnologie is het efficiënt scheiden van protonen van waterstof. In een onderzoek naar enkellaags grafeen en water, de noordwestelijke onderzoekers ontdekten dat enigszins onvolmaakte grafeen protonen - en alleen protonen - in slechts enkele seconden van de ene kant van het grafeenmembraan naar de andere pendelt. De snelheid en selectiviteit van het membraan zijn veel beter dan die van conventionele membranen, biedt ingenieurs een nieuw en eenvoudiger mechanisme voor het ontwerp van brandstofcellen.

"Stel je een elektrische auto voor die oplaadt in dezelfde tijd die nodig is om een ​​auto te vullen met benzine, " zei chemicus Franz M. Geiger, die het onderzoek leidde. "En beter nog:stel je een elektrische auto voor die waterstof als brandstof gebruikt, geen fossiele brandstoffen of ethanol, en niet elektriciteit van het elektriciteitsnet, om een ​​batterij op te laden. Onze verrassende ontdekking biedt een elektrochemisch mechanisme dat deze dingen ooit mogelijk zou kunnen maken."

Defect enkellaags grafeen, het blijkt, produceert een membraan dat 's werelds dunste protonkanaal is - slechts één atoom dik.

"We ontdekten dat als je het grafeen een beetje terugdraait op perfectie, je krijgt het membraan dat je wilt, " zei Geiger, een professor in de chemie aan het Weinberg College of Arts and Sciences. "Iedereen streeft er altijd naar om echt ongerept grafeen te maken, maar onze gegevens laten zien of je protonen erdoor wilt krijgen, je hebt minder perfect grafeen nodig."

De studie wordt op 17 maart gepubliceerd door het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het onderzoeksteam van Geiger omvatte medewerkers uit Northwestern, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, de Universiteit van Virginia, de Universiteit van Minnesota, Pennsylvania State University en de Universiteit van Puerto Rico.

In de atomaire wereld van een waterige oplossing, protonen zijn behoorlijk groot, en wetenschappers geloven niet dat ze bij kamertemperatuur door een enkele laag chemisch perfect grafeen kunnen worden gedreven. (Grafeen is een vorm van elementaire koolstof die bestaat uit een enkele vlakke plaat van koolstofatomen die in een herhalende zeshoekige vorm zijn gerangschikt, of honingraat, rooster.)

Toen Geiger en zijn collega's grafeen bestudeerden dat aan water was blootgesteld, ze ontdekten dat protonen inderdaad door het grafeen bewogen. Met behulp van geavanceerde lasertechnieken, beeldvormingsmethoden en computersimulaties, ze gingen aan de slag om te leren hoe.

De onderzoekers ontdekten dat natuurlijk voorkomende defecten in het grafeen - waar een koolstofatoom ontbreekt - een chemische draaimolen op gang brengen waarbij protonen uit water aan de ene kant van het membraan in een paar seconden naar de andere kant worden gependeld. Hun geavanceerde computersimulaties toonden aan dat dit gebeurt via een klassiek "bucket-line" -mechanisme dat voor het eerst werd voorgesteld in 1806.

De dunheid van het atoomdikke grafeen maakt het een snelle trip voor de protonen, zei Geiger. Met conventionele membranen, die honderden nanometers dik zijn, protonselectie duurt minuten - veel te lang om praktisch te zijn.

Volgende, het onderzoeksteam stelde de vraag:Hoeveel koolstofatomen moeten we uit de grafeenlaag slaan om protonen erdoorheen te krijgen? Slechts een handvol grafeen in een vierkante micron oppervlakte, berekenden de onderzoekers.

Door een paar koolstofatomen te verwijderen, zijn andere zeer reactief, die het proton-pendelproces start. Alleen protonen gaan door de kleine gaatjes, waardoor het membraan zeer selectief is. (Conventionele membranen zijn niet erg selectief.)

"Onze resultaten zullen morgen geen brandstofcel maken, maar het biedt ingenieurs een mechanisme om een ​​protonenscheidingsmembraan te ontwerpen dat veel minder ingewikkeld is dan wat mensen eerder hadden gedacht, "Zei Geiger. "Alles wat je nodig hebt is een enigszins onvolmaakt enkellaags grafeen."