Протонная проницаемость графена путь к технологиям будущего
Исследователи из Национального института графена при Манчестерском университете нашли способ использовать свет для ускорения транспорта протонов через графен, что может революционизировать способы производства водорода. Транспорт протонов является ключевым шагом во многих технологиях возобновляемых источников энергии, таких как водородные топливные элементы и солнечное расщепление воды. Ранее ученые из Манчестера также показали, что он проницаем для протонов. Их новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что свет можно использовать для ускорения транспорта протонов через графен. Графен представляет собой один слой атомов углерода, который является отличным проводником электричества и тепла. Однако ранее считалось, что графен непроницаем для протонов. Исследователи обнаружили, что когда графен освещается светом, электроны в графене возбуждаются. Эти возбужденные электроны затем взаимодействуют с протонами, ускоряя их транспорт через материал. Это открытие может оказать существенное влияние на развитие новых технологий возобновляемой энергетики. Например, это может привести к разработке более эффективных водородных топливных элементов и солнечных водоразделительных устройств.
«Понимание связи между электронными и ионными транспортными свойствами на границах раздела электрод-электролит на молекулярном уровне может позволить разработать новые стратегии для ускорения процессов, важных для многих технологий возобновляемой энергетики, включая производство и использование водорода», — сказал ведущий исследователь доктор Марсело Лосада-Идальго. Графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, является отличным проводником электронов и, как неожиданно оказалось, также проницаем для протонов. Однако считалось, что его протонные и электронные свойства совершенно не связаны. Теперь команда измерила транспорт протонов и электронные свойства графена при освещении и обнаружила, что возбуждение электронов в графене светом ускоряет транспорт протонов. Ярким доказательством этой связи стало наблюдение явления, известного как «блокировка Паули» при транспорте протонов. Это необычное электронное свойство графена, никогда не наблюдавшееся при транспорте протонов. По сути, можно поднять энергию электронов в графене до такой степени, что графен больше не будет поглощать свет — отсюда и «блокировка».
Исследователи демонстрируют, что такая же блокировка происходит при транспорте протонов, управляемом светом, за счет повышения энергии электронов в графене. Это неожиданное наблюдение показывает, что электронные свойства графена важны для его способности проникновения протонов. Доктор Шици Хуан, соавтор работы, сказал: «Мы были удивлены тем, что фотоотклик наших протонпроводящих устройств можно объяснить механизмом блокировки Паули, который до сих пор наблюдался только в электронных измерениях. как протоны, электроны и фотоны взаимодействуют на атомно-тонких границах раздела». «В наших устройствах графен эффективно бомбардируется протонами, которые пронзают его электронное облако. Мы были удивлены, увидев, что фотовозбужденные электроны могут контролировать этот поток протонов», — сказал доктор Эоин Гриффин, один из первых авторов.
