Investigadores de la Universidad de Warwick y la Universidad de Manchester finalmente han resuelto el antiguo misterio de por qué el grafeno es más permeable a los protones de lo que se esperaba teóricamente.
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 generó controversia 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 ha llevado a sugerir que los protones no atraviesan la propia red cristalina, sino a través de agujeros en su estructura.
Ahora escribe en la revista Nature 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 Gem, sobre mediciones de protones de alta resolución. Transfiera a través de grafeno y demuestre que los cristales de grafeno ideales son permeables a los protones. Inesperadamente, los protones corren vigorosamente alrededor de las arrugas y ondas a nanoescala del cristal.
Este descubrimiento tiene el potencial de acelerar la economía del hidrógeno. Los costosos catalizadores y membranas, que a veces tienen una gran huella ambiental, que se utilizan actualmente para generar y utilizar hidrógeno, pueden reemplazarse con cristales 2D más sostenibles, reduciendo las emisiones de carbono y contribuyendo a lograr cero emisiones netas mediante la generación de hidrógeno verde.
El equipo utilizó una técnica conocida como Microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM) Medir corrientes de microprotones recolectadas de regiones 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 protón hubiera sido transportado a través de los agujeros como habían predicho algunos científicos, las corrientes se habrían concentrado en unos pocos puntos aislados. No se encontraron puntos aislados, lo que descarta la presencia de agujeros en las membranas de grafeno.
dres. «Nos sorprendió no ver ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan evidencia microscópica de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones», comentaron Segon Wahbe y Enrico Davide, autores principales del estudio.
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 más espacio para que los protones penetren a través de la red cristalina original. Esta observación ahora reconcilia experimento y teoría.
«Estamos efectivamente estirando una red a escala atómica y estamos observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos extendidos en esta red; es realmente alucinante», dijo el Dr. Lozada Hidalgo.
El profesor Unwin comentó: «Estos resultados muestran a SECCM, que se desarrolló en nuestro laboratorio, como una técnica poderosa para obtener información microscópica sobre interfaces electroquímicas, lo que abre posibilidades interesantes para diseñar membranas y separadores de próxima generación que incorporen 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 de enlaces de hidrógeno».
Lea el documento completo aquí https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
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