Protontransport i grafen viser lovende for vedvarende energi

Forskere ved University of Manchester har opdaget en anden ny og uventet fysisk effekt i grafen - membraner, der kunne bruges i enheder til kunstigt at efterligne fotosyntese.

De nye resultater viste en stigning i den hastighed, hvormed materialet leder protoner, når det blot er oplyst med sollys. 'foto-proton'-effekten, som det er blevet døbt, kunne udnyttes til at designe enheder i stand til direkte at høste solenergi til at producere brintgas, et lovende grønt brændstof. Det kan også være interessant for andre applikationer, såsom lys-induceret vandspaltning, fotokatalyse og til fremstilling af nye typer højeffektive fotodetektorer.

Grafen er et ark af kulstofatomer kun et atom tykt og har adskillige unikke fysiske og mekaniske egenskaber. Det er en fremragende leder af elektroner og kan absorbere lys af alle bølgelængder.

Forskere fandt for nylig ud, at det også er permeabelt for termiske protoner (brintatomernes kerner), hvilket betyder, at den kan bruges som en protonledende membran i forskellige teknologiske anvendelser.

For at finde ud af, hvordan lys påvirker adfærden af ​​protoner, der trænger gennem kulstofarket, et hold ledet af Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo og professor Sir Andre Geim fremstillede uberørte grafenmembraner og dekorerede dem på den ene side med platinnanopartikler. Manchester-forskerne var overraskede over at opdage, at protonledningsevnen af ​​disse membraner blev forbedret 10 gange, når de blev belyst med sollys.

Dr. Lozada-Hidalgo sagde:"Langt den mest interessante anvendelse er at producere brint i et kunstigt fotosyntetisk system baseret på disse membraner."

Prof Geim er også optimistisk:"Dette er i bund og grund et nyt eksperimentelt system, hvor protoner, elektroner og fotoner er alle pakket sammen i et atomisk tyndt volumen. Jeg er sikker på, at der er en masse ny fysik, der skal graves frem, og nye ansøgninger vil følge."

Forskere over hele verden har travlt med at undersøge, hvordan man direkte kan bruge solenergi til at producere vedvarende brændstoffer (såsom brint) ved at efterligne fotosyntese i planter. Disse menneskeskabte 'blade' vil kræve membraner med meget sofistikerede egenskaber – herunder blandet proton-elektron-ledningsevne, permeabilitet for gasser, mekanisk robusthed og optisk gennemsigtighed.

I øjeblikket, forskere bruger en blanding af proton- og elektronledende polymerer til at lave sådanne strukturer, men disse kræver nogle vigtige afvejninger, som kunne undgås ved at bruge grafen.

Ved hjælp af elektriske målinger og massespektrometri, forskerne siger, at de målte en fotoresponsivitet på omkring 104 A/W, hvilket udmønter sig i, at omkring 5000 brintmolekyler dannes som reaktion på hver solfoton (lyspartikel), der falder ind på membranen. Dette er et enormt antal, hvis man sammenligner med de eksisterende fotovoltaiske enheder, hvor mange tusinde fotoner er nødvendige for at producere kun et enkelt brintmolekyle.

"Vi vidste, at grafen absorberer lys af alle frekvenser, og at det også er permeabelt for protoner, men der var ingen grund for os til at forvente, at fotoner absorberet af materialet kunne øge permeationshastigheden af ​​protoner gennem det." siger Lozada-Hidalgo.

"Resultatet er endnu mere overraskende, da vi indså, at membranen var mange størrelsesordener mere følsom over for lys end enheder, der er specifikt designet til at være lysfølsomme. Eksempler på sådanne enheder omfatter kommercielle fotodioder eller dem, der er lavet af nye 2-D materialer ."

Fotodetektorer høster typisk lys for kun at producere elektricitet, men grafenmembraner producerer både elektricitet og som et biprodukt, brint. Den hastighed, hvormed de reagerer på lys i mikrosekundområdet, er hurtigere end de fleste kommercielle fotodioder.