A descoberta do grafeno pode ajudar a gerar hidrogênio mais barato e sustentável
Falta de homogeneidade inesperada no transporte de prótons através de cristais 2D. um ,b , Mapas SECCM para dois dispositivos de grafeno. Os círculos tracejados brancos marcam a borda das aberturas de 2 μm de diâmetro em SiNx . c ,d , Mapas de força AFM para os dispositivos nos painéis acima. Rugas e bordas são claramente visíveis nos mapas AFM e correlacionam-se com áreas de alta condutividade nos mapas SECCM. Para facilitar a comparação, as curvas tracejadas em preto em a e b marque as posições das rugas. e , Correntes de prótons através de um dispositivo hBN. Curva tracejada amarela, borda entre monocamada (1L; esquerda) e tetracamada (4L; direita) hBN. f , Mapa de força AFM para o dispositivo em e . Rugas aparentes são indicadas pelas setas e marcadas pelas curvas tracejadas pretas em e . Uma característica particular deste dispositivo são as notáveis correntes de prótons no canto superior esquerdo em e , longe da abertura em SiNx . Os dados estendidos da Fig. 6 revelam que esse recurso é devido a uma ruga originada de uma abertura vizinha. A ruga fornece uma nanocavidade entre o hBN e o SiNx substrato, que permite que os prótons alcancem esta área. g , A tensão reduz a barreira de energia E para permeação de prótons (E0 é a barreira para o grafeno não tenso). Símbolos azuis, o efeito da tensão decorrente da curvatura; valores de h /L são especificados ao lado de cada ponto. Dados vermelhos, E /E0 devido à deformação puramente no plano. h , Estatísticas de correntes de prótons para monocamadas de grafeno e hBN (dados de a ,b ,e ). Inserção à esquerda, estatísticas coletadas da região da tetracamada. Curvas sólidas, melhores ajustes gaussianos e duplo-gaussianos para grafeno e monocamada hBN, respectivamente (precisão de cerca de 10% na determinação dos modos das distribuições normais). A inserção direita de dois painéis mostra a densidade eletrônica calculada fornecida pela rede cristalina para o grafeno não tenso (esquerda) e tenso (direita); os últimos cálculos são para deformações decorrentes da curvatura com h /L = 0,10. Para tornar evidentes as mudanças na densidade eletrônica, o círculo vermelho tracejado no painel esquerdo marca a fronteira entre as regiões
8
com densidades acima e abaixo de 0,2 e Å
−3
(a última região é mostrada em branco). O mesmo círculo é projetado no painel direito e enfatiza que a região de baixa densidade se expandiu na rede deformada. Crédito:Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6 Pesquisadores da Universidade de Manchester e da Universidade de Warwick finalmente resolveram o antigo enigma de por que o grafeno é muito mais permeável aos prótons do que o esperado pela teoria.
Há uma década, cientistas da Universidade de Manchester demonstraram que o grafeno é permeável aos prótons, núcleos de átomos de hidrogênio. O resultado inesperado iniciou um debate na comunidade porque a teoria previa que levaria bilhões de anos para um próton permear a densa estrutura cristalina do grafeno. Isto levou a sugestões de que os prótons permeiam não através da rede cristalina em si, mas através dos orifícios em sua estrutura.
Agora, escrevendo em Natureza , uma colaboração entre a Universidade de Warwick, liderada pelo Prof Patrick Unwin, e a Universidade de Manchester, liderada pelo Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e Prof Andre Geim, relatam medições de resolução espacial ultra-alta do transporte de prótons através do grafeno e provam que perfeito cristais de grafeno são permeáveis aos prótons. Inesperadamente, os prótons são fortemente acelerados em torno de rugas e ondulações em nanoescala no cristal.
A descoberta tem potencial para acelerar a economia do hidrogénio. Catalisadores e membranas dispendiosos, por vezes com uma pegada ambiental significativa, atualmente utilizados para gerar e utilizar hidrogénio, poderiam ser substituídos por cristais 2D mais sustentáveis, reduzindo as emissões de carbono e contribuindo para o Net Zero através da geração de hidrogénio verde.
A equipe usou uma técnica conhecida como microscopia de varredura eletroquímica de células (SECCM) para medir minúsculas correntes de prótons coletadas de áreas de tamanho nanométrico. Isso permitiu aos pesquisadores visualizar a distribuição espacial das correntes de prótons através das membranas de grafeno. Se o transporte de prótons ocorresse através de buracos, como especularam alguns cientistas, as correntes estariam concentradas em alguns pontos isolados. Não foram encontrados pontos isolados, o que descartou a presença de buracos nas membranas de grafeno.
Os doutores Segun Wahab e Enrico Daviddi, principais autores do artigo, comentaram:"Ficamos surpresos ao não ver absolutamente nenhum defeito nos cristais de grafeno. Nossos resultados fornecem provas microscópicas de que o grafeno é intrinsecamente permeável aos prótons."
Inesperadamente, descobriu-se que as correntes de prótons eram aceleradas em torno de rugas de tamanho nanométrico nos cristais. Os cientistas descobriram que isso ocorre porque as rugas efetivamente “esticam” a rede de grafeno, proporcionando assim um espaço maior para os prótons permearem a rede cristalina imaculada. Esta observação agora reconcilia o experimento e a teoria.
Lozada-Hidalgo disse:"Estamos efetivamente esticando uma malha em escala atômica e observando uma corrente mais alta através dos espaços interatômicos esticados nesta malha - incompreensível."
O professor Unwin comentou:"Esses resultados mostram o SECCM, desenvolvido em nosso laboratório, como uma técnica poderosa para obter insights microscópicos em interfaces eletroquímicas, o que abre possibilidades interessantes para o projeto de membranas e separadores de próxima geração envolvendo prótons."
Os autores estão entusiasmados com o potencial desta descoberta para permitir novas tecnologias baseadas em hidrogénio.
Lozada-Hidalgo disse:"Explorar a atividade catalítica de ondulações e rugas em cristais 2D é uma maneira fundamentalmente nova de acelerar o transporte de íons e reações químicas. Isso poderia levar ao desenvolvimento de catalisadores de baixo custo para tecnologias relacionadas ao hidrogênio."
Mais informações: Marcelo Lozada-Hidalgo, Transporte de prótons através de corrugações em nanoescala em cristais bidimensionais, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6 Informações do diário: Natureza
