През последните години изследователите се интересуват от преноса на протони в графена заради възможните му приложения в горивни клетки, сензори и други електрохимични устройства. Процесът може да се използва и за разработване на възобновяема енергия, по-специално на екологичен водород, пише специализираното издание Interesting Ingeneering.

Тънката атомна структура на графена по принцип го прави непробиваем за различни елементи, включително протони, но дефектите и функционализацията му могат да отворят канали за дифузия на този тип частици. Температурата, влажността и наличието на функционални групи са някои от променливите, които влияят на потока от протони в графена.

Ускоряване на преноса на протони с помощта на светлина

На тази база учени от National Graphene Institute към University of Manchester са открили начин да ускорят преноса на протони през графен с помощта на светлина. Иновацията може да открие нови пътища за производство на екологичен водород, тъй като се очаква да проправи пътя за създаването на слънчеви устройства за разделяне на вода и по-ефективни водородни горивни клетки - съществени елементи в производството на екологичен водород.

Парадокс на добрите намерения: В САЩ ще добиват чист водород с природен газКакъв е смисълът от финансиране на програма за борба с климатичните промени с федерални средства, ако в нея се използва природен газ – изкопаемо гориво?


"Разбирането на връзката между електронните и йонните транспортни свойства в интерфейсите електрод-електролит в молекулен мащаб може да даде възможност за нови стратегии за ускоряване на процесите, които са от основно значение за много технологии за възобновяема енергия, включително производството и използването на водород", посочва водещият изследовател д-р Марсело Лозада-Хидалго.

Групата наблюдава електрическите и протонните транспортни характеристики на графена при осветяване и открива, че индуцираното от светлината електронно възбуждане ускорява протонния транспорт.

Откриването на феномена на протонния транспорт, известен като "принципа на Паули" – влиза в ролята на решаващо доказателство за тази връзка. Това е принцип в квантовата механика, формулиран от Волфганг Паули през 1925 г. Според него в дадена квантова система не е възможно да съществуват едновременно два фермиона с еднакво квантово състояние, т.е. да се характеризират с четири еднакви квантови числа. Принципът е един от най-важните във физиката, защото основните частици на заобикалящата ни материя (протони, електрони и неутрони) са фермиони.

По същество "блокирането" в случая на графена се случва, когато енергията на електроните се увеличи до степен, при която материалът вече не е в състояние да поглъща светлина.

Невиждан досега процес

Белият водород може да спаси света. Учени са на крачка от огромно находищеБелият водород, наричан още


Тази особена характеристика на графена никога досега не е била забелязвана в процеса на пренос на протони и ако се манипулира правилно, може да доведе до по-ефективни и надеждни пътища за производство на екологичен водород.

"Бяхме изненадани, че фотореакцията на нашите протонно-проводящи устройства може да се обясни с механизма на Паули, който досега беше наблюдаван само при електронни измервания. Това дава представа как протоните, електроните и фотоните взаимодействат в атомично тънки интерфейси", казва д-р Шики Хуанг, съавтор на изследването.

Въпреки че графенът има потенциал да подобри редица характеристики на екологичното производство на водород, трябва да се направят още изследвания в тази област, за да се достигне до някакви реални приложения. За да се приложат в практиката материали на основата на графен, трябва да се решат въпроси като тяхната дългосрочна стабилност, мащабируемост и рентабилност.

Въпреки това в областта на изследванията на графена днес се наблюдава сближаване на науката за материалите, електрохимията и изследванията в областта на възобновяемата енергия, което може да доведе до създаването на по-устойчиви и ефективни техники за производство на водород, пише в заключение Interesting Engeneering.

Изследването е публикувано в списание Nature Communications.