Дослідники з Манчестерського та Уорікського університетів нарешті вирішили давню загадку, чому графен набагато більш проникний для протонів, ніж очікувалося теорією.
Десять років тому вчені з Манчестерського університету продемонстрували, що графен проникний для протонів ядер атомів водню. Несподіваний результат викликав суперечки у суспільстві, оскільки теорія передбачала, що протону знадобляться мільярди років, щоб проникнути через щільну кристалічну структуру графена. Це призвело до припущення, що протони проникають не через саму кристалічну решітку, а через отвори у її структурі.
Тепер, у журналі Nature, результати співпраці між Уорікським університетом під керівництвом професора Патріка Анвіна та Манчестерським університетом під керівництвом доктора Марсело Лосада-Ідальго та професора Андре Гейма повідомляють про вимірювання руху протонів з надвисокою просторовою роздільною здатністю через графен і довести, що ідеальні кристали протонів. Несподівано протони сильно прискорюються навколо нанорозмірних зморшок і брижів у кристалі.
Це відкриття може прискорити розвиток водневої економіки. Дорогі каталізатори та мембрани, що іноді значно впливають на навколишнє середовище, які в цей час використовуються для виробництва і використання водню, можуть бути замінені більш стійкими 2D-кристалами, що дозволить скоротити викиди вуглецю і зробити внесок в Net Zero шляхом виробництва зеленого водню.
Команда використовувала метод, відомий як скануюча електрохімічна клітинна мікроскопія (SECCM), для вимірювання найдрібніших протонних струмів, зібраних з нанометрових областей. Це дозволило дослідникам візуалізувати просторовий розподіл протонних струмів через графенові мембрани. Якби транспорт протонів відбувався через дірки, як припускали деякі вчені, токи були б сконцентровані у кількох ізольованих місцях. Таких ізольованих плям не було виявлено, що виключало наявність дірок у графенових мембранах.
Лікарі Сегун Вахаб та Енріко Давідді, провідні автори статті, прокоментували: «Ми були здивовані, не побачивши жодних дефектів у кристалах графена. Наші результати надають мікроскопічний доказ того, що графен за своєю природою проникний для протонів».
Несподівано виявили, що протонні струми прискорюються навколо зморшок нанометрового розміру в кристалах. Вчені виявили, що це відбувається тому, що зморшки ефективно «розтягують» ґрати графена, забезпечуючи тим більше простору для проникнення протонів через первозданну кристалічну решітку. Це спостереження тепер узгоджує експеримент та теорію.
Лікар Лозада-Ідальго сказав: «Ми фактично розтягуємо сітку атомного масштабу і спостерігаємо вищий струм через розтягнуті міжатомні простори в цій сітці — це приголомшує».
Професор Анвін прокоментував: “Ці результати демонструють, що SECCM, розроблений у нашій лабораторії, є потужним методом отримання мікроскопічного розуміння електрохімічних інтерфейсів, який відкриває захоплюючі можливості для проєктування мембран та сепараторів наступного покоління, що включають протони”.
Автори надихнуті потенціалом цього відкриття для створення нових технологій на основі водню.
Лікар Лозада-Ідальго сказав: «Використання каталітичної активності брижів і складок у 2D-кристалах є принципово новим способом прискорення транспорту іонів та хімічних реакцій. Це може призвести до розробки недорогих каталізаторів для технологій, пов’язаних із воднем». Джерело