Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben nog een nieuw en onverwacht fysiek effect ontdekt in grafeen:membranen die kunnen worden gebruikt in apparaten om fotosynthese kunstmatig na te bootsen.

De nieuwe bevindingen toonden een toename aan in de snelheid waarmee het materiaal protonen geleidt wanneer het eenvoudig wordt verlicht met zonlicht. Het 'foto-proton'-effect, zoals het is genoemd, kunnen worden gebruikt om apparaten te ontwerpen die direct zonne-energie kunnen oogsten om waterstofgas te produceren, een veelbelovende groene brandstof. Het kan ook interessant zijn voor andere toepassingen, zoals door licht geïnduceerde watersplitsing, fotokatalyse en voor het maken van nieuwe soorten zeer efficiënte fotodetectoren.

Grafeen is een laag koolstofatomen van slechts één atoom dik en heeft tal van unieke fysieke en mechanische eigenschappen. Het is een uitstekende geleider van elektronen en kan licht van alle golflengten absorberen.

Onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat het ook doorlaatbaar is voor thermische protonen (de kernen van waterstofatomen), wat betekent dat het kan worden gebruikt als een protongeleidend membraan in verschillende technologische toepassingen.

Om erachter te komen hoe licht het gedrag beïnvloedt van protonen die door de koolstofplaat doordringen, een team onder leiding van Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo en professor Sir Andre Geim vervaardigde ongerepte grafeenmembranen en versierde ze aan één kant met platina-nanodeeltjes. De Manchester-wetenschappers waren verrast toen ze ontdekten dat de protonengeleiding van deze membranen 10 keer werd verbeterd wanneer ze werden verlicht met zonlicht.

Dr. Lozada-Hidalgo zei:"Verreweg de meest interessante toepassing is het produceren van waterstof in een kunstmatig fotosynthetisch systeem op basis van deze membranen."

Prof Geim is ook optimistisch:"Dit is in wezen een nieuw experimenteel systeem waarin protonen, elektronen en fotonen zijn allemaal samengepakt in een atomair dun volume. Ik weet zeker dat er veel nieuwe natuurkunde moet worden opgegraven, en nieuwe toepassingen zullen volgen."

Wetenschappers over de hele wereld onderzoeken hoe ze zonne-energie direct kunnen gebruiken om hernieuwbare brandstoffen (zoals waterstof) te produceren door fotosynthese in planten na te bootsen. Voor deze door de mens gemaakte 'bladeren' zijn membranen nodig met zeer geavanceerde eigenschappen – waaronder gemengde proton-elektron geleidbaarheid, doorlaatbaarheid voor gassen, mechanische robuustheid en optische transparantie.

Momenteel, onderzoekers gebruiken een mengsel van proton- en elektronengeleidende polymeren om dergelijke structuren te maken, maar deze vereisen een aantal belangrijke afwegingen die kunnen worden vermeden door grafeen te gebruiken.

Met behulp van elektrische metingen en massaspectrometrie, de onderzoekers zeggen dat ze een fotoresponsiviteit van ongeveer 104 A/W hebben gemeten, wat zich vertaalt in ongeveer 5000 waterstofmoleculen die worden gevormd als reactie op elk zonnefoton (lichtdeeltje) dat op het membraan invalt. Dit is een enorm aantal in vergelijking met de bestaande fotovoltaïsche apparaten waar vele duizenden fotonen nodig zijn om slechts één waterstofmolecuul te produceren.

"We wisten dat grafeen licht van alle frequenties absorbeert en dat het ook doorlaatbaar is voor protonen, maar er was geen reden voor ons om te verwachten dat de fotonen die door het materiaal worden geabsorbeerd, de permeatiesnelheid van protonen erdoorheen zouden kunnen vergroten", zegt Lozada-Hidalgo.

"Het resultaat is nog verrassender toen we ons realiseerden dat het membraan vele ordes van grootte gevoeliger was voor licht dan apparaten die specifiek zijn ontworpen om lichtgevoelig te zijn. Voorbeelden van dergelijke apparaten zijn commerciële fotodiodes of die gemaakt van nieuwe 2D-materialen ."

Fotodetectoren oogsten meestal licht om alleen elektriciteit te produceren, maar grafeenmembranen produceren zowel elektriciteit als als bijproduct, waterstof. De snelheid waarmee ze reageren op licht in het microsecondebereik is sneller dan de meeste commerciële fotodiodes.