Graphen-Entdeckung könnte helfen, Wasserstoff kostengünstig und nachhaltig zu erzeugen

Mikroskopische Einblicke in elektrochemische Grenzflächen

29.08.2023 - Großbritannien

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Forscher der University of Warwick und der University of Manchester haben endlich das seit langem bestehende Rätsel gelöst, warum Graphen so viel durchlässiger für Protonen ist als in der Theorie angenommen.

Vor einem Jahrzehnt wiesen Wissenschaftler der University of Manchester nach, dass Graphen für Protonen, die Kerne von Wasserstoffatomen, durchlässig ist.

Dieses unerwartete Ergebnis löste in der Fachwelt eine Debatte aus, da die Theorie voraussagte, dass es Milliarden von Jahren dauern würde, bis ein Proton die dichte kristalline Struktur von Graphen durchdringen könnte. Dies hatte zu der Vermutung geführt, dass Protonen nicht durch das Kristallgitter selbst, sondern durch die Löcher in seiner Struktur dringen.

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Nun berichtet eine Zusammenarbeit zwischen der University of Warwick unter der Leitung von Prof. Patrick Unwin und der University of Manchester unter der Leitung von Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo und Prof. Andre Geim in der Zeitschrift Nature über Messungen des Protonentransports durch Graphen mit ultrahoher räumlicher Auflösung und beweist, dass perfekte Graphenkristalle für Protonen durchlässig sind. Unerwarteterweise werden Protonen in der Nähe von nanoskaligen Falten und Kräuseln im Kristall stark beschleunigt.

Die Entdeckung hat das Potenzial, die Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen. Die teuren Katalysatoren und Membranen, die derzeit zur Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff verwendet werden, könnten durch nachhaltigere 2-D-Kristalle ersetzt werden, wodurch die Kohlenstoffemissionen reduziert und durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff ein Beitrag zum "Net Zero" geleistet werden könnte.

Das Team setzte eine Technik ein, die als elektrochemische Rastermikroskopie (scanning electrochemical cell microscopy, SECCM) bekannt ist, um winzige Protonenströme zu messen, die von nanometergroßen Bereichen gesammelt wurden. Dadurch konnten die Forscher die räumliche Verteilung der Protonenströme durch Graphenmembranen sichtbar machen.

Wenn der Protonentransport, wie von einigen Wissenschaftlern vermutet, durch Löcher erfolgt, würden sich die Ströme auf einige wenige isolierte Stellen konzentrieren. Es wurden keine solchen isolierten Stellen gefunden, was das Vorhandensein von Löchern in den Graphenmembranen ausschließt.

Dr. Segun Wahab und Enrico Daviddi, die Hauptautoren der Studie, kommentierten: "Wir waren überrascht, dass wir absolut keine Defekte in den Graphenkristallen feststellen konnten. Unsere Ergebnisse sind der mikroskopische Beweis dafür, dass Graphen von Natur aus für Protonen durchlässig ist."

Unerwartet wurde festgestellt, dass die Protonenströme um nanometergroße Falten in den Kristallen beschleunigt werden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Falten das Graphen-Gitter effektiv "dehnen" und somit einen größeren Raum für Protonen schaffen, um durch das unberührte Kristallgitter zu dringen. Diese Beobachtung bringt nun Experiment und Theorie in Einklang.

Dr. Lozada-Hidalgo sagte: "Wir dehnen effektiv ein atomares Gitter und beobachten einen höheren Strom durch die gedehnten interatomaren Räume in diesem Gitter - das ist wirklich verblüffend."

Prof. Unwin kommentierte: "Diese Ergebnisse zeigen, dass SECCM, das in unserem Labor entwickelt wurde, eine leistungsstarke Technik ist, um mikroskopische Einblicke in elektrochemische Grenzflächen zu erhalten, was spannende Möglichkeiten für das Design von Membranen und Separatoren der nächsten Generation eröffnet, die Protonen verwenden."

Die Autoren sind begeistert von dem Potenzial dieser Entdeckung, neue wasserstoffbasierte Technologien zu ermöglichen. Dr. Lozada-Hidalgo sagte: "Die Ausnutzung der katalytischen Aktivität von Wellen und Falten in 2D-Kristallen ist ein grundlegend neuer Weg zur Beschleunigung von Ionentransport und chemischen Reaktionen. Dies könnte zur Entwicklung von kostengünstigen Katalysatoren für wasserstoffbezogene Technologien führen".

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