Onderzoekers van de Universiteit van Manchester en de Universiteit van Warwick hebben eindelijk de al lang bestaande puzzel opgelost waarom grafeen zoveel beter doorlaatbaar is voor protonen dan op basis van de theorie wordt verwacht.

Tien jaar geleden hebben wetenschappers van de Universiteit van Manchester aangetoond dat grafeen doorlaatbaar is voor protonen, kernen van waterstofatomen. Het onverwachte resultaat leidde tot een debat in de gemeenschap, omdat de theorie voorspelde dat het miljarden jaren zou duren voordat een proton door de dichte kristallijne structuur van grafeen zou dringen. Dit had geleid tot de suggestie dat protonen niet door het kristalrooster zelf dringen, maar door de gaatjes in de structuur ervan.

Nu schrijf ik in Natuur , een samenwerking tussen de Universiteit van Warwick, onder leiding van prof. Patrick Unwin, en de Universiteit van Manchester, onder leiding van dr. Marcelo Lozada-Hidalgo en prof. Andre Geim, rapporteert metingen met ultrahoge ruimtelijke resolutie van protonentransport door grafeen en bewijst dat perfecte grafeenkristallen zijn permeabel voor protonen. Onverwachts worden protonen sterk versneld rond rimpels en rimpelingen op nanoschaal in het kristal.

De ontdekking heeft het potentieel om de waterstofeconomie te versnellen. Dure katalysatoren en membranen, soms met een aanzienlijke ecologische voetafdruk, die momenteel worden gebruikt om waterstof te genereren en te gebruiken, zouden kunnen worden vervangen door duurzamere 2D-kristallen, waardoor de CO2-uitstoot wordt verminderd en wordt bijgedragen aan Net Zero door de productie van groene waterstof.

Het team gebruikte een techniek die bekend staat als scanning-elektrochemische celmicroscopie (SECCM) om minuscule protonstromen te meten die zijn verzameld in gebieden van nanometerformaat. Hierdoor konden de onderzoekers de ruimtelijke verdeling van protonstromen door grafeenmembranen visualiseren. Als protonentransport door gaten zou plaatsvinden, zoals sommige wetenschappers speculeerden, zouden de stromingen geconcentreerd zijn op een paar geïsoleerde plekken. Dergelijke geïsoleerde plekken werden niet gevonden, waardoor de aanwezigheid van gaten in de grafeenmembranen werd uitgesloten.

Dr. Segun Wahab en Enrico Daviddi, vooraanstaande auteurs van het artikel, merkten op:"We waren verrast om absoluut geen defecten in de grafeenkristallen te zien. Onze resultaten leveren microscopisch bewijs dat grafeen intrinsiek permeabel is voor protonen."

Onverwachts bleek dat de protonstromen werden versneld rond rimpels van nanometergrootte in de kristallen. De wetenschappers ontdekten dat dit ontstaat doordat de rimpels het grafeenrooster effectief 'uitrekken', waardoor er een grotere ruimte ontstaat voor protonen om door het ongerepte kristalrooster te dringen. Deze observatie verzoent nu het experiment en de theorie.

Dr. Lozada-Hidalgo zei:"We rekken effectief een gaas op atomaire schaal uit en observeren een hogere stroom door de uitgerekte interatomaire ruimtes in dit gaas - verbijsterend."

Prof. Unwin merkte op:"Deze resultaten tonen aan dat SECCM, ontwikkeld in ons laboratorium, een krachtige techniek is om microscopisch inzicht te verkrijgen in elektrochemische grensvlakken, wat opwindende mogelijkheden opent voor het ontwerp van de volgende generatie membranen en scheiders waarbij protonen betrokken zijn."

De auteurs zijn enthousiast over het potentieel van deze ontdekking om nieuwe op waterstof gebaseerde technologieën mogelijk te maken.

Dr. Lozada-Hidalgo zei:"Het benutten van de katalytische activiteit van rimpelingen en rimpels in 2D-kristallen is een fundamenteel nieuwe manier om ionentransport en chemische reacties te versnellen. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van goedkope katalysatoren voor waterstofgerelateerde technologieën."

Meer informatie: Marcelo Lozada-Hidalgo, Protonentransport door ribbels op nanoschaal in tweedimensionale kristallen, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Manchester