Выбирай : Покупай : Используй
в фокусе
0

Сюрпризы графена: найден дешевый способ производства водорода

Графен естественным образом проницаем для протонов, особенно в местах наноразмерных складок в его структуре. Это открытие может произвести революцию в водородной экономике, так как предлагает устойчивую альтернативу существующим катализаторам и мембранам.

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. 

Ученые выяснили, что идеальные кристаллы графена действительно обеспечивают транспорт протонов. Кроме того, они обнаружили, что протоны сильно ускоряются вокруг наноразмерных складок и ряби, присутствующих в кристалле графена

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.

Комментарии