Les chercheurs ont déterminé que la perméabilité du graphène aux protons est intrinsèquement élevée, contrairement aux spéculations antérieures. À l’aide de techniques avancées, ils ont observé un mouvement accéléré des protons autour des rides et ondulations à l’échelle nanométrique du graphène. Cette découverte pourrait révolutionner l’économie de l’hydrogène en remplaçant les catalyseurs et membranes coûteux actuels par des cristaux 2D durables, favorisant ainsi la production d’hydrogène vert. Crédit : Université de Manchester
Les chercheurs découvrent graphènela perméabilité intrinsèque aux protons de l’hydrogène, offrant un potentiel de stimulation à l’économie de l’hydrogène et à la production d’hydrogène vert.
Des chercheurs de l’Université de Manchester et du Université de Warwick ont résolu le mystère de longue date de la raison pour laquelle la perméabilité du graphène aux protons dépasse largement les attentes théoriques.
Il y a dix ans, des scientifiques de l’Université de Manchester ont fait la découverte surprenante que le graphène est perméable aux protons, les noyaux des atomes d’hydrogène. Ce résultat inattendu a plongé la communauté scientifique dans un débat, car la théorie établie avait prédit qu’il faudrait des milliards d’années à un proton pour traverser la structure cristalline densément peuplée du graphène. Par conséquent, il a été émis l’hypothèse que les protons pourraient traverser de minuscules trous d’épingle présents dans le graphène plutôt que le réseau cristallin.
Résultats et implications
Maintenant, comme indiqué aujourd’hui (23 août) dans le journal Nature, des mesures à très haute résolution spatiale du transport des protons à travers le graphène et prouvent que les cristaux de graphène parfaits sont perméables aux protons. De manière inattendue, les protons sont fortement accélérés autour de à l’échelle nanométrique rides et ondulations dans le cristal. L’étude était une collaboration entre l’Université de Warwick, dirigée par le professeur Patrick Unwin, et l’Université de Manchester, dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Andre Geim.
Cette découverte a le potentiel d’accélérer l’économie de l’hydrogène. Les catalyseurs et membranes coûteux, parfois avec une empreinte environnementale importante, actuellement utilisés pour générer et utiliser de l’hydrogène pourraient être remplacés par des cristaux 2D plus durables, réduisant ainsi les émissions de carbone et contribuant à zéro émission nette grâce à la génération d’hydrogène vert.
« 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.
— Dr Marcelo Lozada-Hidalgo
Techniques de recherche et commentaires
L’équipe a utilisé une technique connue sous le nom de microscopie cellulaire électrochimique à balayage (SECCM) pour mesurer d’infimes courants de protons collectés dans des zones de taille nanométrique. Cela a permis aux chercheurs de visualiser la distribution spatiale des courants de protons à travers les membranes de graphène. Si le transport des protons s’effectuait à travers des trous, comme le spéculent certains scientifiques, les courants seraient concentrés dans quelques endroits isolés. Aucun point isolé de ce type n’a été trouvé, ce qui exclut la présence de trous dans les membranes de graphène.
Drs. Segun Wahab et Enrico Daviddi, principaux auteurs de l’article, ont commenté : « 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 – 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. »
Avoir hâte de
Les auteurs sont enthousiasmés par le potentiel de cette découverte pour permettre de nouvelles technologies basées sur 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.
