Istraživači sa Univerziteta u Mančesteru i Univerziteta Vorvik konačno su rešili dugogodišnju zagonetku zašto je grafen toliko propusniji za protone nego što se očekivalo po teoriji.
Pre deset godina, naučnici sa Univerziteta u Mančesteru pokazali su da je grafen propustljiv za protone, jezgra atoma vodonika. Neočekivani rezultat pokrenuo je debatu u zajednici jer je teorija predviđala da će biti potrebne milijarde godina da proton prođe kroz gustu kristalnu strukturu grafena. Ovo je dovelo do sugestije da protoni ne prodiru kroz samu kristalnu rešetku, već kroz rupe u njenoj strukturi.
Sada, pišući u Nature , saradnji između Univerziteta u Vorviku, predvođenog profesorom Patrikom Anvinom, i Univerziteta u Mančesteru, koji predvode dr Marselo Lozada-Hidalgo i profesor Andre Geim, izveštavaju o merenjima ultra-visoke prostorne rezolucije transporta protona kroz grafen i dokazuju da su savršeni kristali grafena propusni za protone. Neočekivano, protoni se snažno ubrzavaju kretanjem kroz useke u kristalu.
Ovo otkriće ima potencijal da ubrza ekonomiju vodonika. Skupi katalizatori i membrane, ponekad sa značajnim uticajem na životnu sredinu, koji se trenutno koriste za generisanje i korišćenje vodonika, mogli bi da se zamene održivijim 2D kristalima, smanjujući emisije ugljenika i doprinoseći neto nuli kroz stvaranje zelenog vodonika.
Tim je koristio tehniku poznatu kao skenirajuća elektrohemijska ćelijska mikroskopija (SECCM) za merenje sitnih protonskih struja prikupljenih iz oblasti veličine nanometara. Ovo je omogućilo istraživačima da vizualizuju prostornu distribuciju protonskih struja kroz grafenske membrane. Ako bi se transport protona odvijao kroz rupe, kao što su neki naučnici spekulisali, struje bi bile koncentrisane na nekoliko izolovanih mesta. Nisu pronađene takve izolovane tačke, što je isključilo prisustvo rupa u grafenskim membranama.
Dr Segun Vahab i Enrico Daviddi, vodeći autori rada, komentarisali su: „Bili smo iznenađeni što nismo videli apsolutno nikakve defekte u kristalima grafena. Naši rezultati pružaju mikroskopski dokaz da je grafen suštinski propustljiv za protone.“
Neočekivano, otkriveno je da se protonske struje ubrzavaju oko nanometarskih bora u kristalima. Naučnici su otkrili da to nastaje zato što bore efektivno ‘razvlače’ grafensku rešetku, obezbeđujući na taj način veći prostor za protone da prođu kroz netaknutu kristalnu rešetku. Ovo zapažanje sada pomiruje eksperiment i teoriju.
Dr Lozada-Hidalgo je rekao: „Mi efektivno rastežemo mrežu atomske skale i posmatramo višu struju kroz istegnute međuatomske prostore u ovoj mreži – zapanjujuće.“
Profesor Unvin je prokomentarisao: „Ovi rezultati pokazuju SECCM, razvijen u našoj laboratoriji, kao moćnu tehniku za dobijanje mikroskopskih uvida u elektrohemijske interfejse, što otvara uzbudljive mogućnosti za dizajn membrana i separatora sledeće generacije koji uključuju protone.“
Autori su uzbuđeni zbog potencijala ovog otkrića da omogući nove tehnologije zasnovane na vodoniku.
Dr Lozada-Hidalgo je rekao: „Iskorišćavanje katalitičke aktivnosti talasanja i bora u 2D kristalima je fundamentalno novi način za ubrzavanje transporta jona i hemijskih reakcija. Ovo bi moglo dovesti do razvoja jeftinih katalizatora za tehnologije vezane za vodonik.“
