La scoperta del grafene potrebbe aiutare a generare idrogeno in modo economico e sostenibile

I ricercatori dell’Università di Warwick e dell’Università di Manchester hanno finalmente risolto l’annoso enigma del perché il grafene è molto più permeabile ai protoni di quanto previsto dalla teoria.

Dieci anni fa, gli scienziati dell’Università di Manchester hanno dimostrato che il grafene è permeabile ai protoni, nuclei di atomi di idrogeno.

Il risultato inaspettato ha avviato un dibattito nella comunità perché la teoria prevedeva che ci sarebbero voluti miliardi di anni affinché un protone permeasse la densa struttura cristallina del grafene. Ciò aveva portato a suggerire che i protoni permeassero non attraverso il reticolo cristallino stesso, ma attraverso i fori stenopeici nella sua struttura.

Adesso scrivo Nature, una collaborazione tra l’Università di Warwick, guidata dal professor Patrick Unwin, e l’Università di Manchester, guidata dal dottor Marcelo Lozada-Hidalgo e dal professor Andre Geim, riporta misurazioni ad altissima risoluzione spaziale del trasporto di protoni attraverso il grafene e lo dimostra i cristalli perfetti di grafene sono permeabili ai protoni. Inaspettatamente, i protoni vengono fortemente accelerati attorno alle rughe e alle increspature su scala nanometrica nel cristallo.

La scoperta ha il potenziale per accelerare l’economia dell’idrogeno. I catalizzatori e le membrane costosi, a volte con un impatto ambientale significativo, attualmente utilizzati per generare e utilizzare l’idrogeno potrebbero essere sostituiti con cristalli 2D più sostenibili, riducendo le emissioni di carbonio e contribuendo a Net Zero attraverso la generazione di idrogeno verde.

Il team ha utilizzato una tecnica nota come microscopia cellulare elettrochimica a scansione (SECCM) per misurare le minuscole correnti protoniche raccolte da aree di dimensioni nanometriche. Ciò ha permesso ai ricercatori di visualizzare la distribuzione spaziale delle correnti protoniche attraverso le membrane di grafene.

Se il trasporto dei protoni avvenisse attraverso i buchi, come ipotizzato da alcuni scienziati, le correnti si concentrerebbero in pochi punti isolati. Non sono stati trovati punti isolati di questo tipo, il che ha escluso la presenza di fori nelle membrane di grafene.

Dott. Segun Wahab ed Enrico Daviddi, principali autori dell’articolo, hanno commentato: “Siamo rimasti sorpresi nel non vedere assolutamente alcun difetto nei cristalli di grafene. I nostri risultati forniscono la prova microscopica che il grafene è intrinsecamente permeabile ai protoni”.

Inaspettatamente, si è scoperto che le correnti protoniche erano accelerate attorno alle rughe di dimensioni nanometriche nei cristalli. Gli scienziati hanno scoperto che ciò si verifica perché le rughe “allungano” efficacemente il reticolo del grafene, fornendo così uno spazio più ampio affinché i protoni possano permeare attraverso il reticolo cristallino incontaminato. Questa osservazione ora riconcilia l’esperimento e la teoria.

Lozada-Hidalgo ha dichiarato: “Stiamo effettivamente allungando una rete su scala atomica e osservando una corrente più elevata attraverso gli spazi interatomici allungati in questa rete: questo è davvero sbalorditivo”.

Unwin ha commentato: “Questi risultati mostrano che il SECCM, sviluppato nel nostro laboratorio, è una potente tecnica per ottenere informazioni microscopiche sulle interfacce elettrochimiche, che apre interessanti possibilità per la progettazione di membrane e separatori di prossima generazione che coinvolgono protoni”.

Gli autori sono entusiasti del potenziale di questa scoperta per consentire nuove tecnologie basate sull’idrogeno. Lozada-Hidalgo ha affermato: “Sfruttare l’attività catalitica delle increspature e delle rughe nei cristalli 2D è un modo fondamentalmente nuovo per accelerare il trasporto degli ioni e le reazioni chimiche. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di catalizzatori a basso costo per le tecnologie legate all’idrogeno”.

- Il presente comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web dell'Università di Warwick