Các nhà khoa học hiện đã chứng minh rằng graphene có khả năng thấm proton một cách tự nhiên. Sử dụng một kỹ thuật gọi là kính hiển vi tế bào điện hóa quét, họ quan sát thấy các proton không chỉ di chuyển qua tinh thể graphene mà còn tăng tốc xung quanh các nếp nhăn có kích thước nano của nó. Phát hiện này, thách thức các lý thuyết trước đây, có tiềm năng đáng kể trong việc thúc đẩy nền kinh tế hydro bằng cách thay thế các chất xúc tác và màng tốn kém và có hại cho môi trường bằng tinh thể 2D bền vững.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng graphene cho phép vận chuyển proton một cách tự nhiên, đặc biệt là xung quanh các nếp nhăn có kích thước nano của nó. Phát hiện này có thể cách mạng hóa nền kinh tế hydro bằng cách đưa ra các giải pháp thay thế bền vững cho các chất xúc tác và màng hiện có.
Các nhà khoa học từ Đại học Warwick và Đại học Manchester cuối cùng đã giải được câu đố tồn tại từ lâu về việc tại sao graphene lại có khả năng thấm proton cao hơn nhiều so với lý thuyết dự kiến.
Câu chuyện bắt đầu từ một thập kỷ trước, khi các nhà khoa học tại Đại học Manchester chứng minh rằng graphene có khả năng thấm qua các proton, hạt nhân của nguyên tử hydro.
Phát hiện này thật bất ngờ và mâu thuẫn với những dự đoán lý thuyết cho rằng phải mất hàng tỷ năm để một proton đi qua cấu trúc tinh thể dày đặc của graphene. Do sự chênh lệch này, đã có một lý thuyết cho rằng proton có thể xuyên qua các lỗ nhỏ, hay lỗ kim, trong cấu trúc graphene chứ không phải bản thân mạng tinh thể.
Trong một ấn phẩm gần đây trên tạp chí Nature , một nỗ lực chung giữa Đại học Warwick, do Giáo sư Patrick Unwin đứng đầu và Đại học Manchester, do Tiến sĩ Marcelo Lozada-Hidalgo và Giáo sư Andre Geim đứng đầu, đã trình bày những phát hiện của họ về vấn đề này. vấn đề. Sử dụng các phép đo có độ phân giải không gian cực cao, họ đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các tinh thể graphene hoàn hảo thực sự cho phép vận chuyển proton. Trong một bước ngoặt đáng ngạc nhiên, họ còn phát hiện thấy các proton được gia tốc mạnh xung quanh các nếp nhăn và gợn sóng có kích thước nano hiện diện trong tinh thể graphene.
Sự không đồng nhất bất ngờ của việc vận chuyển proton qua tinh thể 2D. Tín dụng: Thiên nhiên / DOI: 10.1038/s41586-023-06247-6
Ý nghĩa đối với nền kinh tế hydro
Tiết lộ mang tính đột phá này mang ý nghĩa to lớn đối với nền kinh tế hydro. Các cơ chế hiện nay để tạo ra và sử dụng hydro thường dựa vào các chất xúc tác và màng tốn kém, một số trong đó có tác động đáng kể đến môi trường. Việc thay thế chúng bằng các tinh thể 2D bền vững như graphene có thể đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy sản xuất hydro xanh, sau đó giảm lượng khí thải carbon và hỗ trợ chuyển đổi sang môi trường Net Zero carbon.
Để đi đến kết luận của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi tế bào điện hóa quét (SECCM). Kỹ thuật này cho phép họ đo dòng proton nhỏ trong các vùng có kích thước nanomet, cho phép các nhà nghiên cứu hình dung được sự phân bố không gian của dòng proton qua màng graphene.
Nếu chuyển động của proton bị hạn chế ở các lỗ trên graphene thì dòng điện sẽ bị cô lập ở những điểm cụ thể. Tuy nhiên, người ta không quan sát thấy dòng điện tập trung như vậy, điều này làm bác bỏ lý thuyết về các lỗ trống trong cấu trúc graphene.
Graphene là gì?
Graphene là một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong 2D. Nó nổi tiếng với độ bền, độ dẫn điện và độ mỏng vượt trội, khiến nó trở thành một trong những vật liệu linh hoạt và hứa hẹn nhất trong lĩnh vực khoa học và công nghệ.
Nhận xét và quan sát của các nhà nghiên cứu
Tiến sĩ Segun Wahab và Tiến sĩ Enrico Daviddi, tác giả chính của nghiên cứu, bày tỏ sự ngạc nhiên trước việc không có khiếm khuyết nào trong tinh thể graphene. Ông cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy hoàn toàn không có khiếm khuyết nào trong tinh thể graphene. Kết quả của chúng tôi cung cấp bằng chứng hiển vi cho thấy về bản chất graphene có khả năng thấm proton.”
Thật bất ngờ, người ta thấy dòng proton được gia tốc xung quanh các nếp nhăn có kích thước nanomet trong tinh thể. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng điều này phát sinh do các nếp nhăn “kéo dài” mạng lưới graphene một cách hiệu quả, do đó cung cấp không gian lớn hơn cho các proton thấm qua mạng tinh thể nguyên sơ. Quan sát này bây giờ dung hòa giữa thí nghiệm và lý thuyết.
Tiến sĩ Lozada-Hidalgo cho biết: “Chúng tôi đang kéo dài một lưới quy mô nguyên tử một cách hiệu quả và quan sát thấy dòng điện cao hơn thông qua các không gian tương tác nguyên tử bị kéo căng trong lưới này – điều này thực sự đáng kinh ngạc”.
Giáo sư Unwin nhận xét: “Những kết quả này cho thấy SECCM, được phát triển trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, như một kỹ thuật mạnh mẽ để thu được những hiểu biết sâu sắc dưới kính hiển vi về các giao diện điện hóa, mở ra những khả năng thú vị cho việc thiết kế màng và thiết bị phân tách thế hệ tiếp theo liên quan đến proton”.
Nhóm nghiên cứu lạc quan về việc khám phá này có thể mở đường cho các công nghệ hydro mới như thế nào.
Tiến sĩ Lozada-Hidalgo cho biết: “Khai thác hoạt động xúc tác của các gợn sóng và nếp nhăn trong tinh thể 2D là một cách mới về cơ bản để tăng tốc độ vận chuyển ion và các phản ứng hóa học. Điều này có thể dẫn đến sự phát triển các chất xúc tác chi phí thấp cho các công nghệ liên quan đến hydro.”
Tham khảo: “Vận chuyển proton qua các nếp gấp có kích thước nano trong tinh thể hai chiều” của OJ Wahab, E. Daviddi, B. Xin, PZ Sun, E. Griffin, AW Colburn, D. Barry, M. Yagmurcukardes, FM Peeters, AK Geim, M. Lozada-Hidalgo và PR Unwin, ngày 23 tháng 8 năm 2023, Nature .
