Onderzoekers van de Universiteit van Manchester ontdekten dat atomair dunne mica's - de naam die wordt gegeven aan een type veelvoorkomend mineraal dat in de bodem wordt aangetroffen - uitstekende protonengeleiders zijn. Dit verrassende resultaat is belangrijk voor het gebruik van 2D-materialen in toepassingen zoals brandstofcellen en andere waterstofgerelateerde technologieën.

Eerder, de Manchester-onderzoekers onder leiding van professor Andre Geim en dr. Marcelo Lozada-Hidalgo ontdekten dat materialen van één atoom dik, zoals grafeen, zeer doorlaatbaar zijn voor protonen, kernen van waterstofatomen. Echter, ze ontdekten ook dat andere 2D-materialen zoals molybdeensulfide (MoS2), die slechts drie atomen dik waren, waren volledig ondoordringbaar voor protonen. Deze resultaten suggereerden dat slechts één atoom dikke kristallen permeabel zouden kunnen zijn voor protonen.

Inschrijven Natuur Nanotechnologie , het team heeft aangetoond dat protonen gemakkelijk kunnen doordringen door mica's met weinig lagen, ondanks het feit dat ze 10 keer dikker zijn dan grafeen. Mika's, zoals grafiet, bestaan ​​uit op elkaar gestapelde kristallagen en kunnen tot een enkele laag worden gesneden. Het team isoleerde een van deze lagen en ontdekte dat het 100 keer meer doorlaatbaar was voor protonen dan grafeen.

Op het eerste gezicht, dit resultaat lijkt onmogelijk omdat mica's te dik zijn om protonen te laten doordringen - ze zijn veel dikker dan monolaag MoS ₂ dat volledig ondoordringbaar is voor protonen. Echter, mica's kunnen worden gezien als kristallen platen doorboord door buisvormige kanalen. Deze kanalen zijn niet leeg maar gevuld met hydroxylgroepen die lijken op de protongeleidende eendimensionale ketens in water. Protonen springen langs deze kettingen, waardoor het materiaal een uitstekende protongeleider wordt.

Lucas Mogg, een doctoraat student over het project en de eerste auteur van het artikel zei:"We ontdekten dat de protongeleiding in atomair dunne mica's 10 tot 100 keer hoger is dan in grafeen. Het is bemoedigend omdat grafeen al wordt beschouwd als een veelbelovend protongeleidend materiaal. Onze resultaten laten zien dat mica's nog veelbelovender kunnen zijn, niet in de laatste plaats omdat ze overvloedig en goedkoop zijn."

Professor Andre Geim zei:"Het resultaat impliceert ook dat veel andere 2D-materialen kunnen worden omgezet in protongeleiders. Onze strategie is niet beperkt tot protonen of mica's. Veel meer 2D-kristallen met kanalen op atomaire schaal die vergelijkbaar zijn met die in mica's zou kunnen worden verkend, hopelijk onverwachte fenomenen en nieuwe toepassingen op het gebied van protonen en ionengeleiders."

De onderzoekers ontdekten ook dat mica's bijzonder goed geleidend worden in een temperatuurbereik dat notoir ontoegankelijk is voor de gerelateerde technologieën.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo zei:"Er is een gebrek aan protongeleidende materialen die betrouwbaar kunnen werken tussen 100°C en 500°C. dit is het ideale temperatuurbereik voor een optimale werking van brandstofcellen en andere waterstoftechnologieën. Atomair dunne mica's werken redelijk goed in dit temperatuurbereik - vanuit dit perspectief verdienen ze aandacht."

Verder, de onderzoekers zeggen dat ze nu werken aan het bouwen van een mica-prototypemembraan dat groot genoeg is om onder industriële omstandigheden te worden getest. Ook zijn ze optimistisch over de mogelijkheden die dit onderzoek biedt voor fundamenteel onderzoek. Het werk laat zien dat het veld van tweedimensionale ionengeleiders veelbelovend is vanwege de rijkdom aan andere kristallen die kunnen worden omgezet in ionen- en protonengeleiders.

Het artikel Atomisch dunne mica's als protongeleidende membranen zal worden gepubliceerd op: Natuur Nanotechnologie .