Graphen's Protonen-Durchlässigkeit: Ein Schalter für zukünftige Energietechnologien
Entdeckung könnte zur Entwicklung leistungsfähigerer Wasserstoff-Brennstoffzellen und solarer Wasserspaltgeräte führen
Forscher des National Graphene Institute an der Universität Manchester haben einen Weg gefunden, den Protonentransport durch Graphen mit Hilfe von Licht zu beschleunigen, was die Wasserstofferzeugung revolutionieren könnte.
Der Protonentransport ist ein wichtiger Schritt in vielen Technologien für erneuerbare Energien, wie z. B. Wasserstoffbrennstoffzellen und solare Wasserspaltung, und die Wissenschaftler aus Manchester haben bereits gezeigt, dass Graphen für Protonen durchlässig ist.
Eine neue Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, hat gezeigt, dass der Protonentransport durch Graphen mit Hilfe von Licht beschleunigt werden kann. Graphen ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die sowohl Strom als auch Wärme hervorragend leitet. Bisher wurde jedoch angenommen, dass Graphen für Protonen undurchlässig ist.
Die Forscher fanden heraus, dass die Elektronen im Graphen angeregt werden, wenn Graphen mit Licht beleuchtet wird. Diese angeregten Elektronen wechselwirken dann mit Protonen und beschleunigen deren Transport durch das Material.
Diese Entdeckung könnte erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Technologien für erneuerbare Energien haben. So könnte sie beispielsweise zur Entwicklung effizienterer Wasserstoff-Brennstoffzellen und solarer Wasserspaltungsanlagen führen.
"Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen elektronischen und Ionentransporteigenschaften in Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen auf molekularer Ebene könnte neue Strategien zur Beschleunigung von Prozessen ermöglichen, die für viele Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien von zentraler Bedeutung sind, einschließlich der Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff", so der leitende Forscher Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo.
Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, ist ein hervorragender elektronischer Leiter und erwies sich überraschenderweise auch als durchlässig für Protonen. Man ging jedoch davon aus, dass seine Protonen- und elektronischen Eigenschaften völlig unabhängig voneinander sind. Nun hat das Team sowohl den Protonentransport als auch die elektronischen Eigenschaften von Graphen unter Beleuchtung gemessen und festgestellt, dass die Anregung von Elektronen in Graphen mit Licht den Protonentransport beschleunigt.
Der schlagende Beweis für diesen Zusammenhang war die Beobachtung eines Phänomens, das als "Pauli-Blockierung" beim Protonentransport bekannt ist. Dies ist eine ungewöhnliche elektronische Eigenschaft von Graphen, die beim Protonentransport noch nie beobachtet wurde. Im Wesentlichen ist es möglich, die Energie der Elektronen in Graphen so weit zu erhöhen, dass Graphen kein Licht mehr absorbiert - daher die "Blockierung". Die Forscher zeigen, dass die gleiche Blockierung beim lichtgetriebenen Protonentransport stattfindet, wenn man die Energie der Elektronen in Graphen erhöht. Diese unerwartete Beobachtung zeigt, dass die elektronischen Eigenschaften von Graphen für seine Protonenpermeationseigenschaften wichtig sind.
Dr. Shiqi Huang, Co-Erstautor der Arbeit, sagte: "Wir waren überrascht, dass die Photoreaktion unserer protonenleitenden Bauteile durch den Pauli-Blockierungsmechanismus erklärt werden konnte, der bisher nur bei elektronischen Messungen beobachtet worden war. Dies gibt Aufschluss darüber, wie Protonen, Elektronen und Photonen in atomar dünnen Grenzflächen interagieren".
"In unseren Geräten wird Graphen effektiv mit Protonen beschossen, die seine elektronische Wolke durchdringen. Wir waren überrascht zu sehen, dass durch Licht angeregte Elektronen diesen Protonenfluss kontrollieren können", kommentiert Dr. Eoin Griffin, Mitautor der Studie.
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