El descubrimiento del grafeno podría ayudar a generar hidrógeno más barato y sostenible

Inhomogeneidad inesperada del transporte de protones a través de cristales 2D. un ,b , Mapas SECCM para dos dispositivos de grafeno. Los círculos discontinuos blancos marcan el borde de las aberturas de 2 μm de diámetro en SiN_x . c ,d , mapas de fuerza AFM para los dispositivos en los paneles anteriores. Las arrugas y los bordes son claramente visibles en los mapas AFM y se correlacionan con áreas de alta conductividad en los mapas SECCM. Para facilitar la comparación, las curvas discontinuas negras en a y b marcar las posiciones de las arrugas. e , Corrientes de protones a través de un dispositivo hBN. Curva discontinua amarilla, borde entre monocapa (1L; izquierda) y tetracapa (4L; derecha) hBN. f , mapa de fuerza AFM para el dispositivo en e . Las arrugas aparentes están indicadas por las flechas y marcadas por las curvas discontinuas negras en e . Una característica particular de este dispositivo son las notables corrientes de protones en la esquina superior izquierda de e. , lejos de la apertura en SiN_x . Los datos ampliados de la Fig. 6 revelan que esta característica se debe a una arruga que se origina en una apertura vecina. La arruga proporciona una nanocavidad entre hBN y SiN_x sustrato, lo que permite que los protones lleguen a esta zona. g , La tensión reduce la barrera energética E para la permeación de protones (E ₀ es la barrera para el grafeno sin tensiones). Símbolos azules, el efecto de la tensión que surge de la curvatura; valores de h /L se especifican al lado de cada punto. Datos rojos, E /E ₀ debido a una deformación puramente en el plano. h , Estadísticas de corrientes de protones para monocapas de grafeno y hBN (datos de a ,b ,e ). En el recuadro izquierdo, estadísticas recopiladas de la región de la tetracapa. Curvas sólidas, mejores ajustes gaussianos y doble gaussianos para grafeno y hBN monocapa, respectivamente (precisión de aproximadamente el 10% en la determinación de los modos de las distribuciones normales). El recuadro de dos paneles de la derecha muestra la densidad de electrones calculada proporcionada por la red cristalina para el grafeno no tenso (izquierda) y tenso (derecha); los últimos cálculos son para la tensión que surge de la curvatura con h /L = 0,10. Para hacer evidentes los cambios en la densidad de electrones, el círculo rojo discontinuo en el panel izquierdo marca el límite entre las regiones⁸ con densidades superiores e inferiores a 0,2 e Å^-3 (la última región se muestra en blanco). El mismo círculo se proyecta en el panel derecho y enfatiza que la región de baja densidad se expandió en la red tensa. Crédito:Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6

Investigadores de la Universidad de Manchester y la Universidad de Warwick finalmente resolvieron el antiguo enigma de por qué el grafeno es mucho más permeable a los protones de lo que esperaba la teoría.

Hace una década, científicos de la Universidad de Manchester demostraron que el grafeno es permeable a los protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno. El inesperado resultado inició un debate en la comunidad porque la teoría predijo que se necesitarían miles de millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno. Esto había llevado a sugerir que los protones no penetran a través de la red cristalina en sí, sino a través de los orificios de su estructura.

Ahora, escribiendo en Naturaleza , una colaboración entre la Universidad de Warwick, dirigida por el profesor Patrick Unwin, y la Universidad de Manchester, dirigida por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y el profesor Andre Geim, informan mediciones de resolución espacial ultra alta del transporte de protones a través del grafeno y demuestran que es perfecto. Los cristales de grafeno son permeables a los protones. Inesperadamente, los protones se aceleran fuertemente alrededor de las arrugas y ondulaciones a nanoescala del cristal.

El descubrimiento tiene el potencial de acelerar la economía del hidrógeno. Los costosos catalizadores y membranas, a veces con una huella ambiental significativa, que se utilizan actualmente para generar y utilizar hidrógeno podrían reemplazarse con cristales 2D más sostenibles, reduciendo las emisiones de carbono y contribuyendo a Net Zero mediante la generación de hidrógeno verde.

El equipo utilizó una técnica conocida como microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM) para medir corrientes de protones diminutas recogidas en áreas de tamaño nanométrico. Esto permitió a los investigadores visualizar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de las membranas de grafeno. Si el transporte de protones se produjera a través de agujeros, como especulaban algunos científicos, las corrientes se concentrarían en unos pocos puntos aislados. No se encontraron puntos aislados, lo que descartó la presencia de agujeros en las membranas de grafeno.

Los doctores Segun Wahab y Enrico Daviddi, autores principales del artículo, comentaron:"Nos sorprendió no ver ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan pruebas microscópicas de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones".

Inesperadamente, se descubrió que las corrientes de protones se aceleraban alrededor de arrugas de tamaño nanométrico en los cristales. Los científicos descubrieron que esto se debe a que las arrugas "estiran" efectivamente la red de grafeno, proporcionando así un espacio más grande para que los protones penetren a través de la prístina red cristalina. Esta observación ahora concilia el experimento y la teoría.

El Dr. Lozada-Hidalgo dijo:"Estamos efectivamente estirando una malla de escala atómica y observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos estirados en esta malla, algo alucinante".

El profesor Unwin comentó:"Estos resultados muestran el SECCM, desarrollado en nuestro laboratorio, como una poderosa técnica para obtener información microscópica sobre interfaces electroquímicas, lo que abre interesantes posibilidades para el diseño de membranas y separadores de próxima generación que involucran protones".

Los autores están entusiasmados con el potencial de este descubrimiento para permitir nuevas tecnologías basadas en hidrógeno.

El Dr. Lozada-Hidalgo dijo:"Explotar la actividad catalítica de ondulaciones y arrugas en cristales 2D es una forma fundamentalmente nueva de acelerar el transporte de iones y las reacciones químicas. Esto podría conducir al desarrollo de catalizadores de bajo costo para tecnologías relacionadas con el hidrógeno".

Más información: Marcelo Lozada-Hidalgo, Transporte de protones a través de corrugaciones a nanoescala en cristales bidimensionales, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Manchester

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Nanotecnología