Ufuldkommen grafen åbner døren til bedre brændselsceller

Bikagestruktur af uberørt grafen er smuk, men forskere fra Northwestern University, sammen med samarbejdspartnere fra fem andre institutioner, har opdaget, at hvis grafen naturligvis har et par små huller i det, du har en protonselektiv membran, der kan føre til forbedrede brændselsceller.

En stor udfordring inden for brændselscelleteknologi er effektivt at adskille protoner fra brint. I en undersøgelse af enkeltlags grafen og vand, fandt de nordvestlige forskere, at lidt uperfekte grafen kører protoner - og kun protoner - fra den ene side af grafenmembranen til den anden på få sekunder. Membranens hastighed og selektivitet er meget bedre end for konventionelle membraner, tilbyde ingeniører en ny og enklere mekanisme til design af brændselsceller.

"Forestil dig en elbil, der oplader på samme tid, det tager at fylde en bil med gas, "sagde kemiker Franz M. Geiger, der ledede forskningen. "Og endnu bedre - forestil dig en elbil, der bruger brint som brændstof, ikke fossile brændstoffer eller ethanol, og ikke elektricitet fra elnettet, at oplade et batteri. Vores overraskende opdagelse giver en elektrokemisk mekanisme, der kan gøre disse ting mulige en dag. "

Defekt enkeltlags grafen, det viser sig, producerer en membran, der er verdens tyndeste protonkanal - kun et atom tykt.

"Vi fandt ud af, at hvis du bare kalder grafen lidt tilbage på perfektion, du får den membran, du ønsker, sagde Geiger, professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. "Alle bestræber sig altid på at lave virkelig uberørt grafen, men vores data viser, om du vil få protoner igennem, du har brug for mindre perfekt grafen. "

Undersøgelsen offentliggøres 17. marts af tidsskriftet Naturkommunikation .

Geigers forskerteam omfattede samarbejdspartnere fra det nordvestlige, Oak Ridge National Laboratory, University of Virginia, universitetet i Minnesota, Pennsylvania State University og University of Puerto Rico.

I atomverdenen i en vandig opløsning, protoner er ret store, og forskere tror ikke på, at de kan drives gennem et enkelt lag kemisk perfekt grafen ved stuetemperatur. (Graphen er en form for elementært kulstof, der består af et enkelt fladt lag carbonatomer arrangeret i en gentaget sekskantet, eller honningkage, gitter.)

Da Geiger og hans kolleger studerede grafen udsat for vand, de fandt ud af, at protoner faktisk bevægede sig gennem grafen. Ved hjælp af banebrydende laserteknikker, billeddannelsesmetoder og computersimuleringer de satte sig for at lære hvordan.

Forskerne opdagede, at naturligt forekommende defekter i grafenet-hvor et carbonatom mangler-udløser en kemisk merry-run, hvor protoner fra vand på den ene side af membranen flyttes til den anden side på få sekunder. Deres avancerede computersimuleringer viste, at dette sker via en klassisk "bucket-line" mekanisme, der først blev foreslået i 1806.

Tyndheden af ​​det atomtykke grafen gør det til en hurtig tur for protonerne, Sagde Geiger. Med konventionelle membraner, som er hundredvis af nanometer tykke, protonvalg tager minutter - alt for lang tid til at være praktisk.

Næste, forskergruppen stillede spørgsmålet:Hvor mange carbonatomer skal vi slå ud af grafenlaget for at få protoner til at bevæge sig igennem? Bare en håndfuld i et kvadratmikron område af grafen, forskerne beregnet.

Fjernelse af et par kulstofatomer resulterer i, at andre er meget reaktive, som starter proton shuttling processen. Kun protoner går gennem de små huller, gør membranen meget selektiv. (Konventionelle membraner er ikke særlig selektive.)

"Vores resultater vil ikke lave en brændselscelle i morgen, men det giver en mekanisme for ingeniører til at designe en protonseparationsmembran, der er langt mindre kompliceret end hvad folk havde troet før, "Sagde Geiger." Det eneste, du har brug for, er lidt uperfekt enkeltlags grafen. "