La structure en nid d'abeille du graphène vierge est magnifique, mais les scientifiques de la Northwestern University, avec des collaborateurs de cinq autres institutions, ont découvert que si le graphène a naturellement quelques trous minuscules, vous avez une membrane sélective pour les protons qui pourrait conduire à des piles à combustible améliorées.

Un défi majeur dans la technologie des piles à combustible consiste à séparer efficacement les protons de l'hydrogène. Dans une étude du graphène monocouche et de l'eau, les chercheurs de Northwestern ont découvert que le graphène légèrement imparfait transporte les protons - et seulement les protons - d'un côté de la membrane de graphène à l'autre en quelques secondes seulement. La vitesse et la sélectivité de la membrane sont bien meilleures que celles des membranes conventionnelles, offrant aux ingénieurs un nouveau mécanisme plus simple pour la conception de piles à combustible.

"Imaginez une voiture électrique qui se recharge en même temps qu'il faut pour remplir une voiture d'essence, " a déclaré le chimiste Franz M. Geiger, qui a dirigé la recherche. "Et mieux encore, imaginez une voiture électrique qui utilise de l'hydrogène comme carburant, pas de combustibles fossiles ou d'éthanol, et non de l'électricité du réseau électrique, pour charger une batterie. Notre découverte surprenante fournit un mécanisme électrochimique qui pourrait rendre ces choses possibles un jour."

Graphène monocouche défectueux, il s'avère, produit une membrane qui est le canal à protons le plus fin au monde, avec seulement un atome d'épaisseur.

"Nous avons découvert que si vous rappeliez un peu le graphène sur la perfection, vous obtiendrez la membrane que vous voulez, " dit Geiger, professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences. "Tout le monde s'efforce toujours de faire du graphène vraiment vierge, mais nos données montrent si vous voulez faire passer des protons, vous avez besoin de moins de graphène parfait."

L'étude sera publiée le 17 mars par la revue Communication Nature .

L'équipe de recherche de Geiger comprenait des collaborateurs de Northwestern, Laboratoire national d'Oak Ridge, l'Université de Virginie, l'Université du Minnesota, Université d'État de Pennsylvanie et Université de Porto Rico.

Dans le monde atomique d'une solution aqueuse, les protons sont assez gros, et les scientifiques ne croient pas qu'ils puissent être entraînés à travers une seule couche de graphène chimiquement parfait à température ambiante. (Le graphène est une forme de carbone élémentaire composé d'une seule feuille plate d'atomes de carbone disposés dans un hexagone répété, ou nid d'abeille, treillis.)

Lorsque Geiger et ses collègues ont étudié le graphène exposé à l'eau, ils ont découvert que les protons se déplaçaient effectivement à travers le graphène. En utilisant des techniques laser de pointe, méthodes d'imagerie et simulations informatiques, ils se sont mis à apprendre comment.

Les chercheurs ont découvert que les défauts naturels du graphène, là où il manque un atome de carbone, déclenchent un manège chimique où les protons de l'eau d'un côté de la membrane sont transférés de l'autre côté en quelques secondes. Leurs simulations informatiques avancées ont montré que cela se produit via un mécanisme classique de « ligne de seau » proposé pour la première fois en 1806.

La minceur du graphène d'épaisseur atomique en fait un voyage rapide pour les protons, dit Geiger. Avec des membranes conventionnelles, qui ont des centaines de nanomètres d'épaisseur, la sélection des protons ne prend que quelques minutes, beaucoup trop longue pour être pratique.

Prochain, l'équipe de recherche a posé la question :combien d'atomes de carbone devons-nous éliminer de la couche de graphène pour faire passer les protons ? Juste une poignée dans un micron carré de graphène, les chercheurs ont calculé.