Les scientifiques ont désormais prouvé que le graphène est naturellement perméable aux protons. En utilisant une technique appelée microscopie cellulaire électrochimique à balayage, ils ont observé que les protons non seulement se déplacent à travers le cristal de graphène, mais s’accélèrent également autour de ses rides à l’échelle nanométrique. Cette découverte, qui défie les théories précédentes, recèle un potentiel important pour faire progresser l’économie de l’hydrogène en remplaçant les catalyseurs et les membranes coûteux et nocifs pour l’environnement par des cristaux 2D durables.
Les chercheurs ont découvert que graphène permet naturellement le transport des protons, notamment autour de son à l’échelle nanométrique les rides. Cette découverte pourrait révolutionner l’économie de l’hydrogène en offrant des alternatives durables aux catalyseurs et membranes existants.
Des scientifiques du Université de Warwick et l’Université de Manchester ont finalement résolu l’énigme de longue date de la raison pour laquelle le graphène est beaucoup plus perméable aux protons que ne le prévoyait la théorie.
La saga a commencé il y a dix ans, lorsque des scientifiques de l’Université de Manchester ont démontré que le graphène est perméable aux protons, noyaux des atomes d’hydrogène.
Cette découverte était inattendue et contredisait les prédictions théoriques selon lesquelles il faudrait des milliards d’années à un proton pour traverser la structure cristalline dense du graphène. En raison de cette disparité, il existait une théorie suggérant que les protons pourraient pénétrer à travers de minuscules trous, ou trous d’épingle, dans la structure du graphène plutôt que dans le réseau cristallin lui-même.
Dans une récente publication dans la revue Nature, un effort conjoint de l’Université de Warwick, dirigé par le professeur Patrick Unwin, et de l’Université de Manchester, dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Andre Geim, a présenté ses conclusions sur ce sujet. En utilisant des mesures à très haute résolution spatiale, ils ont démontré de manière concluante que les cristaux de graphène parfaits permettent effectivement le transport des protons. De manière surprenante, ils ont également découvert que les protons sont fortement accélérés autour des rides et ondulations à l’échelle nanométrique présentes dans le cristal de graphène.
Implications pour l’économie de l’hydrogène
Cette révélation révolutionnaire revêt une immense importance pour l’économie de l’hydrogène. Les mécanismes actuels de production et d’utilisation de l’hydrogène reposent souvent sur des catalyseurs et des membranes coûteux, dont certains ont des impacts environnementaux notables. Les remplacer par des cristaux 2D durables comme le graphène pourrait jouer un rôle central dans l’avancement de la production d’hydrogène vert, réduisant ainsi les émissions de carbone et facilitant la transition vers un environnement net zéro carbone.
Pour arriver à leurs conclusions, les chercheurs ont eu recours à la microscopie cellulaire électrochimique à balayage (SECCM). Cette technique leur a permis de mesurer de minuscules courants de protons dans des régions de taille nanométrique, permettant ainsi aux chercheurs de visualiser la distribution spatiale des courants de protons à travers les membranes de graphène.
Si le mouvement des protons avait été limité aux trous du graphène, les courants auraient été isolés à des endroits spécifiques. Cependant, aucun courant concentré de ce type n’a été observé, ce qui démystifie la théorie des trous dans les structures du graphène.
Qu’est-ce que le graphène ?
Le graphène est une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeille 2D. Il est réputé pour sa résistance, sa conductivité et sa finesse remarquables, ce qui en fait l’un des matériaux les plus prometteurs et les plus polyvalents dans les domaines de la science et de la technologie.
Commentaires et observations des chercheurs
Le Dr Segun Wahab et le Dr Enrico Daviddi, les principaux auteurs de l’étude, ont exprimé leur étonnement face à l’absence de défauts dans les cristaux de graphène, déclarant : « Nous avons été surpris de ne voir absolument aucun défaut dans les cristaux de graphène. Nos résultats fournissent la preuve microscopique que le graphène est intrinsèquement perméable aux protons.
De manière inattendue, les courants de protons se sont avérés accélérés autour de rides de taille nanométrique dans les cristaux. Les scientifiques ont découvert que cela se produit parce que les rides « étirent » efficacement le réseau de graphène, offrant ainsi un plus grand espace permettant aux protons de pénétrer à travers le réseau cristallin vierge. Ce constat réconcilie désormais l’expérience et la théorie.
Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré : « Nous étirons effectivement un maillage à l’échelle atomique et observons un courant plus élevé à travers les espaces interatomiques étirés de ce maillage – c’est vraiment ahurissant. »
Le professeur Unwin a commenté : « Ces résultats présentent le SECCM, développé dans notre laboratoire, comme une technique puissante pour obtenir des informations microscopiques sur les interfaces électrochimiques, ce qui ouvre des possibilités passionnantes pour la conception de membranes et de séparateurs de nouvelle génération impliquant des protons. »
L’équipe est optimiste quant à la façon dont cette découverte peut ouvrir la voie à de nouvelles technologies liées à l’hydrogène.
Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré : « L’exploitation de l’activité catalytique des ondulations et des rides dans les cristaux 2D est une façon fondamentalement nouvelle d’accélérer le transport des ions et les réactions chimiques. Cela pourrait conduire au développement de catalyseurs à faible coût pour les technologies liées à l’hydrogène.
