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Forscher der University of Warwick und der University of Manchester haben endlich das seit langem bestehende Rätsel gelöst, warum Graphen für Protonen so viel durchlässiger ist, als die Theorie erwartet.
Vor einem Jahrzehnt zeigten Wissenschaftler der Universität Manchester, dass Graphen für Protonen, die Kerne von Wasserstoffatomen, durchlässig ist.
Das unerwartete Ergebnis löste eine Debatte in der Community aus, da die Theorie vorhersagte, dass es Milliarden von Jahren dauern würde, bis ein Proton die dichte Kristallstruktur von Graphen durchdringt. Dies hatte zu der Vermutung geführt, dass Protonen nicht durch das Kristallgitter selbst, sondern durch die kleinen Löcher in seiner Struktur eindringen.
Nun berichten wir in Nature, einer 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, über Messungen von Protonen mit ultrahoher räumlicher Auflösung Transport durch Graphen und beweisen, dass perfekte Graphenkristalle für Protonen durchlässig sind. Unerwarteterweise werden Protonen um nanoskalige Falten und Wellen im Kristall herum stark beschleunigt.
Die Entdeckung hat das Potenzial, die Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen. Teure Katalysatoren und Membranen, die teilweise einen erheblichen ökologischen Fußabdruck verursachen und derzeit zur Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff verwendet werden, könnten durch nachhaltigere 2D-Kristalle ersetzt werden, was die CO2-Emissionen reduziert und durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff zu Net Zero beiträgt.
Das Team nutzte eine Technik namens Rasterelektrochemische Zellmikroskopie (SECCM), um winzige Protonenströme zu messen, die aus nanometergroßen Bereichen gesammelt wurden. Dadurch konnten die Forscher die räumliche Verteilung der Protonenströme durch Graphenmembranen visualisieren.
Wenn der Protonentransport durch Löcher stattfinden würde, wie einige Wissenschaftler vermuteten, würden sich die Ströme auf einige isolierte Stellen konzentrieren. Es wurden keine derartigen isolierten Stellen gefunden, was das Vorhandensein von Löchern in den Graphenmembranen ausschließt.
Dr. Segun Wahab und Enrico Daviddi, die Hauptautoren des Papiers, kommentierten: „Wir waren überrascht, absolut keine Defekte in den Graphenkristallen zu sehen. Unsere Ergebnisse liefern den mikroskopischen Beweis, dass Graphen intrinsisch durchlässig für Protonen ist.“
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Protonenströme um nanometergroße Falten in den Kristallen herum beschleunigt werden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Falten das Graphengitter effektiv „dehnen“ und so den Protonen mehr Raum bieten, durch das ursprüngliche Kristallgitter zu dringen. Diese Beobachtung bringt nun Experiment und Theorie in Einklang.
Dr. Lozada-Hidalgo sagte: „Wir dehnen effektiv ein Netz im atomaren Maßstab und beobachten einen höheren Strom durch die gedehnten interatomaren Räume in diesem Netz – das ist wirklich umwerfend.“
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, die aufregende Möglichkeiten für die Entwicklung von Membranen und Separatoren der nächsten Generation mit Protonen eröffnet.“
Die Autoren sind begeistert vom Potenzial dieser Entdeckung, neue wasserstoffbasierte Technologien zu ermöglichen. Dr. Lozada-Hidalgo sagte: „Die Nutzung der katalytischen Aktivität von Wellen und Falten in 2D-Kristallen ist eine grundlegend neue Möglichkeit, den Ionentransport und chemische Reaktionen zu beschleunigen. Dies könnte zur Entwicklung kostengünstiger Katalysatoren für wasserstoffbezogene Technologien führen.“
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