La découverte du graphène pourrait aider à produire de l'hydrogène moins cher et plus durable

Inhomogénéité inattendue du transport des protons à travers les cristaux 2D. un ,b , cartes SECCM pour deux appareils à graphène. Les cercles en pointillés blancs marquent le bord des ouvertures de 2 µm de diamètre dans SiN_x . c ,d , Cartes de force AFM pour les appareils dans les panneaux ci-dessus. Les rides et les bords sont clairement visibles sur les cartes AFM et sont en corrélation avec les zones à haute conductivité dans les cartes SECCM. Pour faciliter la comparaison, les courbes en pointillés noirs dans a et b marquez la position des rides. e , Courants de protons à travers un appareil hBN. Courbe pointillée jaune, frontière entre hBN monocouche (1L; gauche) et tétracouche (4L; droite). f , carte de force AFM pour l'appareil en e . Les rides apparentes sont indiquées par les flèches et marquées par les courbes en pointillés noirs en e . Une caractéristique particulière de cet appareil réside dans les courants de protons notables dans le coin supérieur gauche de e , loin de l'ouverture dans SiN_x . Données étendues La figure 6 révèle que cette caractéristique est due à une ride provenant d'une ouverture voisine. La ride constitue une nanocavité entre le hBN et le SiN_x substrat, qui permet aux protons d’atteindre cette zone. g , La contrainte abaisse la barrière énergétique E pour la perméation des protons (E ₀ est la barrière pour le graphène non contraint). Symboles bleus, l'effet de la déformation résultant de la courbure ; valeurs de h /L sont précisés à côté de chaque point. Données rouges, E /E ₀ en raison d'une déformation purement dans le plan. h , Statistiques des courants de protons pour les monocouches de graphène et de hBN (données de a ,b ,e ). Encadré de gauche, statistiques collectées dans la région tétracouche. Courbes solides, meilleurs ajustements gaussiens et double-gaussiens pour le graphène et le hBN monocouche, respectivement (précision d'environ 10 % dans la détermination des modes des distributions normales). L'encadré à deux panneaux de droite montre la densité électronique calculée fournie par le réseau cristallin pour le graphène non contraint (à gauche) et contraint (à droite) ; ces derniers calculs concernent la déformation résultant d'une courbure avec h /L = 0,10. Pour rendre évidents les changements dans la densité électronique, le cercle rouge en pointillés dans le panneau de gauche marque la limite entre les régions⁸ . avec des densités supérieures et inférieures à 0,2 e Å⁻³ (cette dernière région est représentée en blanc). Le même cercle est projeté sur le panneau de droite et souligne que la région de faible densité s'est étendue dans le réseau tendu. Crédit :*Nature* (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06247-6

Des chercheurs de l'Université de Manchester et de l'Université de Warwick ont finalement résolu l'énigme de longue date de la raison pour laquelle le graphène est beaucoup plus perméable aux protons que ne le prévoyait la théorie.

Il y a dix ans, des scientifiques de l’Université de Manchester ont démontré que le graphène est perméable aux protons, noyaux des atomes d’hydrogène. Ce résultat inattendu a déclenché un débat au sein de la communauté, car la théorie prédisait qu'il faudrait des milliards d'années pour qu'un proton pénètre dans la structure cristalline dense du graphène. Cela a conduit à suggérer que les protons ne pénètrent pas à travers le réseau cristallin lui-même, mais à travers les trous d'épingle dans sa structure.

Maintenant, j'écris dans Nature , une collaboration entre l'Université de Warwick, dirigée par le professeur Patrick Unwin, et l'Université de Manchester, dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Andre Geim, rapportent des mesures à ultra-haute résolution spatiale du transport de protons à travers le graphène et prouvent que parfait les cristaux de graphène sont perméables aux protons. De manière inattendue, les protons sont fortement accélérés autour des rides et ondulations à l'échelle nanométrique du cristal.

Cette découverte a le potentiel d’accélérer l’économie de l’hydrogène. Les catalyseurs et membranes coûteux, parfois avec une empreinte environnementale importante, actuellement utilisés pour générer et utiliser de l'hydrogène pourraient être remplacés par des cristaux 2D plus durables, réduisant ainsi les émissions de carbone et contribuant à zéro émission nette grâce à la génération d'hydrogène vert.

L’équipe a utilisé une technique connue sous le nom de microscopie cellulaire électrochimique à balayage (SECCM) pour mesurer d’infimes courants de protons collectés dans des zones de taille nanométrique. Cela a permis aux chercheurs de visualiser la distribution spatiale des courants de protons à travers les membranes de graphène. Si le transport des protons s'effectuait à travers des trous, comme le spéculent certains scientifiques, les courants seraient concentrés dans quelques endroits isolés. Aucun point isolé de ce type n'a été trouvé, ce qui exclut la présence de trous dans les membranes de graphène.

Les Drs Segun Wahab et Enrico Daviddi, principaux auteurs de l'article, ont commenté :"Nous avons été surpris de constater absolument aucun défaut dans les cristaux de graphène. Nos résultats fournissent la preuve microscopique que le graphène est intrinsèquement perméable aux protons."

De manière inattendue, les courants de protons se sont avérés accélérés autour de rides de taille nanométrique dans les cristaux. Les scientifiques ont découvert que cela se produit parce que les rides « étirent » efficacement le réseau de graphène, offrant ainsi un plus grand espace aux protons pour pénétrer à travers le réseau cristallin vierge. Cette observation réconcilie désormais l'expérience et la théorie.

Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré :"Nous étirons effectivement un maillage à l'échelle atomique et observons un courant plus élevé à travers les espaces interatomiques étirés de ce maillage - ahurissant."

Le professeur Unwin a commenté :"Ces résultats présentent le SECCM, développé dans notre laboratoire, comme une technique puissante pour obtenir des informations microscopiques sur les interfaces électrochimiques, ce qui ouvre des possibilités passionnantes pour la conception de membranes et de séparateurs de nouvelle génération impliquant des protons."

Les auteurs sont enthousiasmés par le potentiel de cette découverte pour permettre de nouvelles technologies basées sur l'hydrogène.

Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré :« L'exploitation de l'activité catalytique des ondulations et des rides dans les cristaux 2D est une manière fondamentalement nouvelle d'accélérer le transport des ions et les réactions chimiques. Cela pourrait conduire au développement de catalyseurs à faible coût pour les technologies liées à l'hydrogène.

Plus d'informations : Marcelo Lozada-Hidalgo, Transport de protons à travers des ondulations à l'échelle nanométrique dans des cristaux bidimensionnels, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Manchester

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