(Phys.org) - Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han creado un "generador de hidrógeno" a pequeña escala que utiliza luz y una plataforma de grafeno bidimensional para impulsar la producción del elemento difícil de fabricar.

La investigación también reveló una propiedad previamente desconocida del grafeno. La cadena bidimensional de átomos de carbono no solo da y recibe electrones, pero también puede transferirlos a otra sustancia.

El hidrógeno está prácticamente en todas partes del planeta, pero el elemento suele estar unido a otros elementos y debe separarse del oxígeno en H2O para producir hidrógeno libre. El proceso de separación comercial utiliza gas natural para reaccionar con vapor sobrecalentado para eliminar los átomos de hidrógeno que producen combustible de hidrógeno. pero también dióxido de carbono, un subproducto de gas de efecto invernadero que se escapa a la atmósfera.

Generador de etapa inicial de Argonne, compuesto por muchas asambleas diminutas, es una prueba de que el hidrógeno se puede producir sin quemar combustibles fósiles. La escala es pequeña un poco más pequeño que el diámetro de la seda de araña. Ampliar esta investigación en el futuro puede significar que podría reemplazar la gasolina de sus automóviles y generadores con hidrógeno, una opción más ecológica, porque la quema de combustible de hidrógeno emite solo vapor de agua.

"Muchos investigadores buscan materiales inorgánicos para obtener nuevas fuentes de energía, "dijo Elena Rozhkova, químico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE (Oficina de Ciencias Energéticas Básicas). "Nuestro objetivo es aprender del mundo natural y utilizar sus materiales como bloques de construcción para la innovación".

Para Rozhkova, este bloque de construcción en particular está inspirado en la función de una proteína antigua conocida por convertir la luz en energía. Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que algunos organismos unicelulares utilizan una proteína llamada bacteriorrodopsina (bR) para absorber la luz solar y bombear protones a través de una membrana. creando una forma de energía química. También saben que el agua se puede dividir en oxígeno e hidrógeno al combinar estas proteínas con dióxido de titanio y platino y luego exponerlas a la luz ultravioleta.

Solo hay una desventaja:el dióxido de titanio solo reacciona en presencia de luz ultravioleta, que constituye un mero cuatro por ciento del espectro solar total. Si los investigadores quisieran alimentar sus generadores con luz solar, tendrían que mejorar eso.

Para producir mayores cantidades de hidrógeno utilizando luz visible, los investigadores buscaron un nuevo material. El nuevo material necesitaría suficiente área de superficie para mover electrones de manera rápida y uniforme y aumentar la eficiencia general de transferencia de electrones. Los investigadores también necesitaban una plataforma en la que los componentes biológicos, como bR, podría sobrevivir y conectarse con el catalizador de dióxido de titanio:en resumen, un material como el grafeno.

El grafeno es superfuerte Súper ligero, cerca de una hoja totalmente transparente de átomos de carbono y uno de los mejores conductores de electricidad jamás descubiertos. El grafeno debe sus asombrosas propiedades a ser bidimensional.

"El grafeno no solo tiene todas estas propiedades asombrosas, pero también es ultrafino y biológicamente inerte, "dijo Rozhkova." Su sola presencia permitió que los otros componentes se autoensamblaran a su alrededor, lo que cambia totalmente la forma en que los electrones se mueven por nuestro sistema ".

El mini generador de hidrógeno de Rozhkova funciona así:tanto la proteína bR como la plataforma de grafeno absorben la luz visible. Los electrones de esta reacción se transmiten al dióxido de titanio en el que están anclados estos dos materiales, haciendo que el dióxido de titanio sea sensible a la luz visible.

Simultaneamente, la luz del extremo verde del espectro solar hace que la proteína bR comience a bombear protones a lo largo de su membrana. Estos protones llegan a las nanopartículas de platino que se encuentran encima del dióxido de titanio. El hidrógeno se produce por la interacción de los protones y los electrones cuando convergen en el platino.

Los exámenes que utilizaron una técnica llamada Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR) y espectroscopía de resolución temporal en el Centro de Materiales a Nanoescala verificaron los movimientos de los electrones dentro del sistema, mientras que los estudios electroquímicos confirmaron que los protones se transfirieron. Las pruebas también revelaron una nueva peculiaridad del comportamiento del grafeno.

"La mayoría de las investigaciones afirman que el grafeno conduce y acepta principalmente electrones, ", dijo el investigador postdoctoral de Argonne, Peng Wang." Nuestra exploración utilizando EPR nos permitió probar, experimentalmente, que el grafeno también inyecta electrones en otros materiales ".

El generador de hidrógeno de Rozhkova demuestra que la nanotecnología, fusionado con la biología, puede crear nuevas fuentes de energía limpia. El descubrimiento de su equipo puede proporcionar a los futuros consumidores una alternativa de inspiración biológica a la gasolina.

"Estos son los tipos de descubrimientos que podemos hacer en Argonne, ", dijo Rozhkova." Trabajando en las ciencias de la energía básica, pudimos demostrar una alternativa al gas de inspiración biológica y rica en energía ".

Esta investigación, "Vías de transferencia de electrones fotoinducidas en el nanocatalizador híbrido impulsado por óxido de grafeno reducido que evoluciona hidrógeno, "apareció en la edición del 7 de julio de ACS Nano .