Canal de transferência de prótons através de um defeito quádruplo no grafeno, conforme obtido a partir de uma simulação de dinâmica molecular ReaxFF. Crédito:Murali Raju, Estado de Penn
A estrutura de favo de mel do grafeno puro é linda, mas os cientistas da Northwestern University, junto com colaboradores de outras cinco instituições, descobriram que se o grafeno naturalmente tem alguns orifícios minúsculos, você tem uma membrana seletiva de prótons que pode levar a células de combustível aprimoradas.
Um grande desafio na tecnologia de células de combustível é a separação eficiente de prótons do hidrogênio. Em um estudo de grafeno de camada única e água, os pesquisadores da Northwestern descobriram que o grafeno levemente imperfeito transporta prótons - e apenas prótons - de um lado da membrana de grafeno para o outro em meros segundos. A velocidade e seletividade da membrana são muito melhores do que as das membranas convencionais, oferecendo aos engenheiros um mecanismo novo e mais simples para o projeto de células de combustível.
"Imagine um carro elétrico que carregue no mesmo tempo que leva para encher um carro com gasolina, "disse o químico Franz M. Geiger, quem liderou a pesquisa. "E melhor ainda - imagine um carro elétrico que usa hidrogênio como combustível, não combustíveis fósseis ou etanol, e não eletricidade da rede elétrica, para carregar uma bateria. Nossa descoberta surpreendente fornece um mecanismo eletroquímico que pode tornar essas coisas possíveis um dia. "
Grafeno de camada única defeituoso, acontece que, produz uma membrana que é o canal de prótons mais fino do mundo - apenas um átomo de espessura.
"Descobrimos que se você apenas diminuir um pouco o grafeno na perfeição, você obterá a membrana que deseja, "disse Geiger, professor de química no Weinberg College of Arts and Sciences. "Todo mundo sempre se esforça para fazer um grafeno realmente puro, mas nossos dados mostram se você deseja que os prótons passem, você precisa de um grafeno menos perfeito. "
Local do defeito hidroxilado que permite a transferência fácil de prótons através do substrato de grafeno de camada única imaculado. Crédito:Universidade de Minnesota
O estudo será publicado no dia 17 de março pela revista. Nature Communications .
A equipe de pesquisa de Geiger incluiu colaboradores da Northwestern, Laboratório Nacional de Oak Ridge, a Universidade da Virgínia, a Universidade de Minnesota, Universidade Estadual da Pensilvânia e Universidade de Porto Rico.
No mundo atômico de uma solução aquosa, prótons são muito grandes, e os cientistas não acreditam que possam passar por uma única camada de grafeno quimicamente perfeito em temperatura ambiente. (Grafeno é uma forma de carbono elementar composta de uma única folha plana de átomos de carbono dispostos em um hexagonal repetitivo, ou favo de mel, treliça.)
Quando Geiger e seus colegas estudaram o grafeno exposto à água, eles descobriram que os prótons estavam de fato se movendo através do grafeno. Usando técnicas de laser de ponta, métodos de imagem e simulações de computador, eles se propuseram a aprender como.
Os pesquisadores descobriram que defeitos de ocorrência natural no grafeno - onde falta um átomo de carbono - acionam um carrossel químico onde prótons da água de um lado da membrana são transportados para o outro lado em poucos segundos. Suas simulações de computador avançadas mostraram que isso ocorre por meio de um mecanismo clássico de "linha de balde" proposto pela primeira vez em 1806.
Local do defeito hidroxilado que permite a transferência fácil de prótons através do substrato de grafeno de camada única imaculado. Crédito:Crédito:Universidade de Minnesota
A espessura do átomo de grafeno torna uma viagem rápida para os prótons, Geiger disse. Com membranas convencionais, que têm centenas de nanômetros de espessura, a seleção de prótons leva minutos - tempo demais para ser prático.
Próximo, a equipe de pesquisa fez a pergunta:Quantos átomos de carbono precisamos eliminar da camada de grafeno para que os prótons se movam? Apenas um punhado em uma área de mícron quadrado de grafeno, os pesquisadores calcularam.
Remover alguns átomos de carbono resulta em outros altamente reativos, que inicia o processo de transporte de prótons. Apenas prótons passam pelos pequenos orifícios, tornando a membrana muito seletiva. (As membranas convencionais não são muito seletivas.)
"Nossos resultados não farão uma célula de combustível amanhã, mas fornece um mecanismo para os engenheiros projetarem uma membrana de separação de prótons que é muito menos complicada do que o que as pessoas pensavam antes, "Geiger disse." Tudo que você precisa é um grafeno de camada única ligeiramente imperfeito. "