Canal de transferencia de protones a través de un defecto cuádruple en grafeno, obtenido de una simulación de dinámica molecular ReaxFF. Crédito:Murali Raju, Penn State
La estructura de panal de grafeno prístino es hermosa, pero los científicos de la Universidad Northwestern, junto a colaboradores de otras cinco instituciones, han descubierto que si el grafeno tiene naturalmente algunos pequeños agujeros, tiene una membrana selectiva de protones que podría conducir a celdas de combustible mejoradas.
Un desafío importante en la tecnología de las pilas de combustible es la separación eficiente de los protones del hidrógeno. En un estudio de grafeno de capa única y agua, Los investigadores de Northwestern encontraron que el grafeno, ligeramente imperfecto, transporta protones, y solo protones, de un lado de la membrana de grafeno al otro en cuestión de segundos. La velocidad y la selectividad de la membrana son mucho mejores que las de las membranas convencionales, ofreciendo a los ingenieros un mecanismo nuevo y más simple para el diseño de pilas de combustible.
"Imagine un automóvil eléctrico que se carga en el mismo tiempo que se tarda en llenar un automóvil con gasolina, "dijo el químico Franz M. Geiger, quien dirigió la investigación. "Y mejor aún, imagina un coche eléctrico que utiliza hidrógeno como combustible, no combustibles fósiles ni etanol, y no electricidad de la red eléctrica, para cargar una batería. Nuestro sorprendente descubrimiento proporciona un mecanismo electroquímico que podría hacer posibles estas cosas algún día ".
Grafeno monocapa defectuoso, resulta, produce una membrana que es el canal de protones más delgado del mundo:solo un átomo de espesor.
"Descubrimos que, si se reduce un poco el grafeno a la perfección, obtendrás la membrana que quieras, "dijo Geiger, profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg. "Todo el mundo siempre se esfuerza por hacer grafeno realmente prístino, pero nuestros datos muestran si desea que los protones pasen, necesitas un grafeno menos perfecto ".
Sitio del defecto hidroxilado que permite una fácil transferencia de protones a través del sustrato prístino de grafeno de una sola capa. Crédito:Universidad de Minnesota
El estudio será publicado el 17 de marzo por la revista Comunicaciones de la naturaleza .
El equipo de investigación de Geiger incluyó colaboradores de Northwestern, Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad de Virginia, la Universidad de Minnesota, Universidad Estatal de Pensilvania y Universidad de Puerto Rico.
En el mundo atómico de una solución acuosa, los protones son bastante grandes, y los científicos no creen que puedan atravesar una sola capa de grafeno químicamente perfecto a temperatura ambiente. (El grafeno es una forma de carbono elemental compuesta por una sola hoja plana de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal repetida, o panal, enrejado.)
Cuando Geiger y sus colegas estudiaron el grafeno expuesto al agua, descubrieron que los protones se movían efectivamente a través del grafeno. Utilizando técnicas láser de vanguardia, métodos de obtención de imágenes y simulaciones por ordenador, se propusieron aprender cómo.
Los investigadores descubrieron que los defectos que ocurren naturalmente en el grafeno, donde falta un átomo de carbono, desencadenan un tiovivo químico en el que los protones del agua en un lado de la membrana se transportan al otro lado en unos pocos segundos. Sus avanzadas simulaciones por computadora mostraron que esto ocurre a través de un mecanismo clásico de "línea de cubos" propuesto por primera vez en 1806.
Sitio del defecto hidroxilado que permite una fácil transferencia de protones a través del sustrato prístino de grafeno de una sola capa. Crédito:Crédito:Universidad de Minnesota
La delgadez del grafeno de un átomo de espesor lo convierte en un viaje rápido para los protones, Dijo Geiger. Con membranas convencionales, que tienen cientos de nanómetros de espesor, La selección de protones lleva unos minutos, demasiado para ser práctica.
Próximo, El equipo de investigación hizo la pregunta:¿Cuántos átomos de carbono necesitamos eliminar de la capa de grafeno para que los protones se muevan a través de ella? Solo un puñado en un área de micras cuadradas de grafeno, calcularon los investigadores.
La eliminación de algunos átomos de carbono da como resultado que otros sean altamente reactivos, que inicia el proceso de transporte de protones. Solo los protones atraviesan los pequeños agujeros, haciendo que la membrana sea muy selectiva. (Las membranas convencionales no son muy selectivas).
"Nuestros resultados no harán una pila de combustible mañana, pero proporciona un mecanismo para que los ingenieros diseñen una membrana de separación de protones que es mucho menos complicada de lo que la gente había pensado antes. "Dijo Geiger." Todo lo que necesitas es grafeno de una sola capa ligeramente imperfecto ".
