Des chercheurs de l'Université de Manchester ont découvert un autre effet physique nouveau et inattendu du graphène :des membranes qui pourraient être utilisées dans des dispositifs pour imiter artificiellement la photosynthèse.

Les nouvelles découvertes ont démontré une augmentation de la vitesse à laquelle le matériau conduit les protons lorsqu'il est simplement éclairé par la lumière du soleil. L'effet 'photo-proton', comme il a été surnommé, pourrait être exploité pour concevoir des dispositifs capables de capter directement l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène gazeux, un carburant vert prometteur. Il peut également être intéressant pour d'autres applications, tels que le fractionnement de l'eau induit par la lumière, photocatalyse et pour la fabrication de nouveaux types de photodétecteurs très efficaces.

Le graphène est une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome et possède de nombreuses propriétés physiques et mécaniques uniques. C'est un excellent conducteur d'électrons et peut absorber la lumière de toutes les longueurs d'onde.

Les chercheurs ont récemment découvert qu'il est également perméable aux protons thermiques (les noyaux des atomes d'hydrogène), ce qui signifie qu'elle pourrait être utilisée comme membrane conductrice de protons dans diverses applications technologiques.

Pour découvrir comment la lumière affecte le comportement des protons traversant la feuille de carbone, une équipe dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Sir Andre Geim a fabriqué des membranes de graphène vierges et les a décorées d'un côté avec des nanoparticules de platine. Les scientifiques de Manchester ont été surpris de découvrir que la conductivité protonique de ces membranes était 10 fois plus élevée lorsqu'elles étaient éclairées par la lumière du soleil.

Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré :« L'application de loin la plus intéressante est la production d'hydrogène dans un système photosynthétique artificiel basé sur ces membranes.

Le professeur Geim est également optimiste :« Il s'agit essentiellement d'un nouveau système expérimental dans lequel les protons, les électrons et les photons sont tous regroupés dans un volume atomiquement mince. Je suis sûr qu'il y a beaucoup de nouvelle physique à découvrir, et de nouvelles applications suivront."

Les scientifiques du monde entier sont occupés à chercher comment utiliser directement l'énergie solaire pour produire des carburants renouvelables (tels que l'hydrogène) en imitant la photosynthèse dans les plantes. Ces « feuilles » artificielles nécessiteront des membranes aux propriétés très sophistiquées – notamment une conductivité mixte proton-électron, perméabilité aux gaz, robustesse mécanique et transparence optique.

Actuellement, les chercheurs utilisent un mélange de polymères conducteurs de protons et d'électrons pour fabriquer de telles structures, mais ceux-ci nécessitent des compromis importants qui pourraient être évités en utilisant du graphène.

A l'aide de mesures électriques et de spectrométrie de masse, les chercheurs disent avoir mesuré une photoréactivité d'environ 104 A/W, ce qui se traduit par la formation d'environ 5000 molécules d'hydrogène en réponse à chaque photon solaire (particule lumineuse) incident sur la membrane. C'est un nombre énorme si on le compare aux dispositifs photovoltaïques existants où plusieurs milliers de photons sont nécessaires pour produire une seule molécule d'hydrogène.

"Nous savions que le graphène absorbe la lumière de toutes les fréquences et qu'il est également perméable aux protons, mais il n'y avait aucune raison pour nous de nous attendre à ce que les photons absorbés par le matériau puissent augmenter le taux de perméation des protons à travers celui-ci », explique Lozada-Hidalgo.

« Le résultat est encore plus surprenant lorsque nous avons réalisé que la membrane était de plusieurs ordres de grandeur plus sensible à la lumière que les dispositifs spécialement conçus pour être sensibles à la lumière. Des exemples de tels dispositifs incluent les photodiodes commerciales ou celles fabriquées à partir de nouveaux matériaux 2D. ."

Les photodétecteurs captent généralement la lumière pour produire uniquement de l'électricité, mais les membranes en graphène produisent à la fois de l'électricité et, en tant que sous-produit, hydrogène. La vitesse à laquelle elles répondent à la lumière dans la plage de la microseconde est plus rapide que la plupart des photodiodes commerciales.