Pesquisadores da Universidade de Manchester descobriram outro novo e inesperado efeito físico no grafeno - membranas que poderiam ser usadas em dispositivos para simular artificialmente a fotossíntese.

As novas descobertas demonstraram um aumento na taxa na qual o material conduz prótons quando é simplesmente iluminado pela luz solar. O efeito 'foto-próton', como foi dublado, poderia ser explorado para projetar dispositivos capazes de coletar diretamente a energia solar para produzir gás hidrogênio, um combustível verde promissor. Também pode ser de interesse para outras aplicações, como divisão de água induzida por luz, fotocatálise e para fazer novos tipos de fotodetectores altamente eficientes.

O grafeno é uma folha de átomos de carbono com apenas um átomo de espessura e possui inúmeras propriedades físicas e mecânicas exclusivas. É um excelente condutor de elétrons e pode absorver luz em todos os comprimentos de onda.

Pesquisadores descobriram recentemente que também é permeável a prótons térmicos (os núcleos dos átomos de hidrogênio), o que significa que pode ser empregado como uma membrana condutora de prótons em várias aplicações de tecnologia.

Para descobrir como a luz afeta o comportamento dos prótons que permeiam a folha de carbono, uma equipe liderada pelo Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e o professor Sir Andre Geim fabricou membranas de grafeno puro e as decorou em um lado com nanopartículas de platina. Os cientistas de Manchester ficaram surpresos ao descobrir que a condutividade do próton dessas membranas aumentou 10 vezes quando foram iluminadas com a luz solar.

Dr. Lozada-Hidalgo disse:"De longe, a aplicação mais interessante é a produção de hidrogênio em um sistema fotossintético artificial baseado nessas membranas."

O professor Geim também está otimista:"Este é essencialmente um novo sistema experimental no qual prótons, elétrons e fótons são todos compactados em um volume atomicamente fino. Tenho certeza de que há muita física nova a ser descoberta, e novos aplicativos virão. "

Cientistas de todo o mundo estão ocupados tentando descobrir como usar diretamente a energia solar para produzir combustíveis renováveis ​​(como o hidrogênio), imitando a fotossíntese nas plantas. Essas 'folhas' feitas pelo homem exigirão membranas com propriedades muito sofisticadas - incluindo condutividade próton-elétron mista, permeabilidade aos gases, robustez mecânica e transparência óptica.

Atualmente, pesquisadores usam uma mistura de prótons e polímeros condutores de elétrons para fazer tais estruturas, mas isso requer algumas compensações importantes que podem ser evitadas com o uso do grafeno.

Usando medições elétricas e espectrometria de massa, os pesquisadores dizem que mediram uma fotorresponsividade de cerca de 104 A / W, que se traduz em cerca de 5000 moléculas de hidrogênio sendo formadas em resposta a cada fóton solar (partícula de luz) incidente na membrana. Este é um número enorme se comparado aos dispositivos fotovoltaicos existentes, onde muitos milhares de fótons são necessários para produzir apenas uma única molécula de hidrogênio.

“Sabíamos que o grafeno absorve luz em todas as frequências e que também é permeável aos prótons, mas não havia razão para esperarmos que os fótons absorvidos pelo material pudessem aumentar a taxa de permeação dos prótons através dele ", diz Lozada-Hidalgo.

"O resultado é ainda mais surpreendente quando percebemos que a membrana era muitas ordens de magnitude mais sensível à luz do que dispositivos que são especificamente projetados para serem sensíveis à luz. Exemplos de tais dispositivos incluem fotodiodos comerciais ou aqueles feitos de novos materiais 2-D . "

Os fotodetectores normalmente captam luz para produzir apenas eletricidade, mas as membranas de grafeno produzem eletricidade e, como um subproduto, hidrogênio. A velocidade com que eles respondem à luz na faixa de microssegundos é mais rápida do que a maioria dos fotodiodos comerciais.