Investigadores de la Universidad de Manchester han descubierto otro efecto físico nuevo e inesperado en el grafeno:membranas que podrían usarse en dispositivos para imitar artificialmente la fotosíntesis.

Los nuevos hallazgos demostraron un aumento en la velocidad a la que el material conduce protones cuando simplemente se ilumina con luz solar. El efecto 'foto-protón', como se ha apodado, podría explotarse para diseñar dispositivos capaces de recolectar directamente energía solar para producir gas hidrógeno, un combustible verde prometedor. También puede ser de interés para otras aplicaciones, como la división del agua inducida por la luz, fotocatálisis y para fabricar nuevos tipos de fotodetectores de alta eficiencia.

El grafeno es una hoja de átomos de carbono de un solo átomo de espesor y tiene numerosas propiedades físicas y mecánicas únicas. Es un excelente conductor de electrones y puede absorber luz de todas las longitudes de onda.

Los investigadores descubrieron recientemente que también es permeable a los protones térmicos (los núcleos de los átomos de hidrógeno), lo que significa que podría emplearse como membrana conductora de protones en diversas aplicaciones tecnológicas.

Para descubrir cómo la luz afecta el comportamiento de los protones que atraviesan la hoja de carbono, un equipo dirigido por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y el profesor Sir Andre Geim fabricó membranas de grafeno prístinas y las decoró en un lado con nanopartículas de platino. Los científicos de Manchester se sorprendieron al descubrir que la conductividad de los protones de estas membranas aumentaba 10 veces cuando se iluminaban con luz solar.

El Dr. Lozada-Hidalgo dijo:"Con mucho, la aplicación más interesante es la producción de hidrógeno en un sistema fotosintético artificial basado en estas membranas".

El profesor Geim también es optimista:"Este es esencialmente un nuevo sistema experimental en el que los protones, los electrones y fotones están todos empaquetados juntos en un volumen atómicamente delgado. Estoy seguro de que hay mucha física nueva por desenterrar, y seguirán nuevas aplicaciones ".

Los científicos de todo el mundo están ocupados investigando cómo utilizar directamente la energía solar para producir combustibles renovables (como el hidrógeno) imitando la fotosíntesis en las plantas. Estas 'hojas' artificiales requerirán membranas con propiedades muy sofisticadas, incluida la conductividad mixta de protones y electrones, permeabilidad a los gases, robustez mecánica y transparencia óptica.

En la actualidad, Los investigadores utilizan una mezcla de polímeros conductores de protones y electrones para hacer tales estructuras, pero estos requieren algunas compensaciones importantes que podrían evitarse mediante el uso de grafeno.

Usando medidas eléctricas y espectrometría de masas, los investigadores dicen que midieron una fotorreactividad de alrededor de 104 A / W, lo que se traduce en la formación de alrededor de 5000 moléculas de hidrógeno en respuesta a cada fotón solar (partícula de luz) que incide en la membrana. Este es un número enorme si se compara con los dispositivos fotovoltaicos existentes donde se necesitan muchos miles de fotones para producir una sola molécula de hidrógeno.

"Sabíamos que el grafeno absorbe luz de todas las frecuencias y que también es permeable a los protones, pero no había ninguna razón para que esperáramos que los fotones absorbidos por el material pudieran mejorar la tasa de permeabilidad de los protones a través de él ", dice Lozada-Hidalgo.

"El resultado es aún más sorprendente cuando nos dimos cuenta de que la membrana era muchos órdenes de magnitud más sensible a la luz que los dispositivos que están diseñados específicamente para ser sensibles a la luz. Ejemplos de tales dispositivos incluyen fotodiodos comerciales o aquellos fabricados con nuevos materiales 2-D. . "

Los fotodetectores suelen recolectar luz para producir solo electricidad, pero las membranas de grafeno producen tanto electricidad como, como subproducto, hidrógeno. La velocidad a la que responden a la luz en el rango de microsegundos es más rápida que la mayoría de los fotodiodos comerciales.