A descoberta do grafeno pode ajudar a gerar hidrogênio de maneira barata e sustentável

Pesquisadores da Universidade de Warwick e da Universidade de Manchester finalmente resolveram o antigo enigma de por que o grafeno é muito mais permeável aos prótons do que o esperado pela teoria.

Há uma década, cientistas da Universidade de Manchester demonstraram que o grafeno é permeável aos prótons, núcleos de átomos de hidrogênio.

O resultado inesperado iniciou um debate na comunidade porque a teoria previa que levaria bilhões de anos para um próton permear a densa estrutura cristalina do grafeno. Isto levou a sugestões de que os prótons permeiam não através da rede cristalina em si, mas através dos pequenos orifícios em sua estrutura.

Agora, escrevendo em Nature, uma colaboração entre a Universidade de Warwick, liderada pelo professor Patrick Unwin, e a Universidade de Manchester, liderada pelo Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e pelo professor Andre Geim, relatam medições de resolução espacial ultra-alta do transporte de prótons através do grafeno e provam que cristais de grafeno perfeitos são permeáveis ​​aos prótons. Inesperadamente, os prótons são fortemente acelerados em torno de rugas e ondulações em nanoescala no cristal.

A descoberta tem potencial para acelerar a economia do hidrogénio. Catalisadores e membranas dispendiosos, por vezes com uma pegada ambiental significativa, atualmente utilizados para gerar e utilizar hidrogénio, poderiam ser substituídos por cristais 2D mais sustentáveis, reduzindo as emissões de carbono e contribuindo para o Net Zero através da geração de hidrogénio verde.

A equipe usou uma técnica conhecida como microscopia de varredura eletroquímica de células (SECCM) para medir minúsculas correntes de prótons coletadas de áreas de tamanho nanométrico. Isso permitiu aos pesquisadores visualizar a distribuição espacial das correntes de prótons através das membranas de grafeno.

Se o transporte de prótons ocorresse através de buracos, como especularam alguns cientistas, as correntes estariam concentradas em alguns pontos isolados. Não foram encontrados pontos isolados, o que descartou a presença de buracos nas membranas de grafeno.

Drs. Segun Wahab e Enrico Daviddi, principais autores do artigo, comentaram: “Ficamos surpresos ao não ver absolutamente nenhum defeito nos cristais de grafeno. Nossos resultados fornecem provas microscópicas de que o grafeno é intrinsecamente permeável aos prótons.”

Inesperadamente, descobriu-se que as correntes de prótons eram aceleradas em torno de rugas de tamanho nanométrico nos cristais. Os cientistas descobriram que isso ocorre porque as rugas efetivamente “esticam” a rede de grafeno, proporcionando assim um espaço maior para os prótons permearem a rede cristalina imaculada. Esta observação agora reconcilia o experimento e a teoria.

Lozada-Hidalgo disse: “Estamos efetivamente esticando uma malha em escala atômica e observando uma corrente mais alta através dos espaços interatômicos esticados nesta malha – isso é verdadeiramente incompreensível”.

Unwin comentou: “Esses resultados mostram o SECCM, desenvolvido em nosso laboratório, como uma técnica poderosa para obter insights microscópicos em interfaces eletroquímicas, o que abre possibilidades interessantes para o projeto de membranas e separadores de próxima geração envolvendo prótons.”

Os autores estão entusiasmados com o potencial desta descoberta para permitir novas tecnologias baseadas em hidrogénio. Lozada-Hidalgo disse: "Explorar a atividade catalítica de ondulações e rugas em cristais 2D é uma maneira fundamentalmente nova de acelerar o transporte de íons e reações químicas. Isso poderia levar ao desenvolvimento de catalisadores de baixo custo para tecnologias relacionadas ao hidrogênio."

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da Universidade de Warwick