Сюрпризы графена: найден дешевый способ производства водорода

Наконец, решена давняя загадка, почему графен гораздо более проницаем для протонов, чем предполагалось ранее.

Бездефектный графен непроницаем для всех атомов и ионов в естественных условиях окружающей среды. Но напротив, графен обладает высокой проницаемостью для протонов — ядер атомов водорода. Это продемонстрировали еще десять лет назад ученые из Манчестерского университета. Это открытие было неожиданным и противоречило теориям, которые предполагали, что для прохождения плотной кристалличемкой решетки графена протону потребуются миллиарды лет. Из-за такого несоответствия возникла другая теория, согласно которой протоны способны проникать через крошечные отверстия в структуре графена, а не через саму кристаллическую решетку.

Однако у ученых не было единого мнения ни о механизме неожиданно высокой протонной проницаемости, ни даже о том, нужны ли для этого дефекты в кристаллической решетке графена.

В недавней публикации в журнале Nature были представлены новые выводы по этому вопросу. Авторы исследования убедительно показали, что, хотя проникновение протонов через механически расслоенные монослои графена не может быть объяснено какими-либо структурными дефектами, наномасштабная неплоскостность двумерных мембран значительно облегчает транспорт протонов. 

Это открытие имеет огромное значение для водородной экономики. Существующие механизмы производства и использования водорода часто основаны на дорогостоящих катализаторах и мембранах, а многие из них оказывают заметное воздействие на окружающую среду. Замена их устойчивыми 2D-кристаллами, такими как графен, может сыграть ключевую роль в продвижении производства экологически чистого водорода. Впоследствии это может привести к сокращению выбросов углекислого газа и даже к переходу к среде с нулевым выбросом углерода.

Чтобы доказать, что графен обладает проницаемостью для протонов, исследователи использовали метод сканирующей электрохимической микроскопии (SECM). Он заключается в том, что сканирующий зонд измеряет локальную электрохимическую активность образца в растворе. Этот метод позволил им измерить крошечные протонные токи в областях нанометрового размера, что дало возможность визуализировать пространственное распределение протонных токов через графеновые мембраны.

Если бы движение протонов было ограничено отверстиями в графене, токи бы локализовались в определенных местах. Однако таких концентрированных токов обнаружено не было, что опровергло теорию о дырках в графеновых структурах. То есть графен по своей природе проницаем для протонов.

Кроме того, была и неожиданная находка: исследователи обнаружили, что протонные токи ускоряются вокруг складок нанометрового размера в кристаллах. Ученые выяснили, что это происходит потому, что складки эффективно «растягивают» решетку графена, обеспечивая тем самым большее пространство для проникновения протонов через изначальную кристаллическую решетку. Это наблюдение фактически объединяет теорию и практику.

А использование каталитической активности ряби и складок в 2D-кристаллах — это принципиально новый способ ускорить транспорт ионов и химические реакции. Это, в свою очередь, может привести к разработке недорогих катализаторов для технологий, связанных с водородом. То есть исследование имеет огромный потенциал для развития водородной экономики за счет возможной замены дорогостоящих и экологически небезопасных катализаторов и мембран устойчивыми 2D-кристаллами.