Sciencemag.cz
Doporučujeme
Grafen je materiál podivný na mnoho způsobů, mj. i tím, jak rychle jím pronikají protony (ionty vodíku). Uvedená otázka, i když se nezmiňuje tak často jako jiné unikátní vlastnosti tohoto 2D materiálu, má přitom samozřejmě potenciální vztah k elektrochemii, výrobě vodíku atd. Vědci z University of Manchester (místo objevu grafenu) a University of Warwick se nyní zaměřili na to, proč je grafen pro protony průchodnější, než by vyplývalo ze současných teoretických modelů.
Z modelů vycházelo, že hustá struktura grafenové mřížky je pro protony nepropustná. To vedlo k domněnkám, že protony nepronikají samotnou krystalovou mřížkou, ale dírkami v její struktuře. Nová studie na základě měření transportu protonů grafenem s ultravysokým prostorovým rozlišením ale dokazuje, že i dokonalé krystaly grafenu bez děr jsou pro protony propustné. Protony mají totiž být silně urychlovány kolem nanorozměrných vrásek a vlnek v krystalu.
Tento objev má potenciál urychlit rozvoj vodíkové ekonomiky. Drahé katalyzátory a membrány které se v současné době používají k výrobě a skladování vodíku, by mohly být nahrazeny levnějšími 2D krystaly.
Výsledky nové studie vycházejí z mikroskopie SECCM (scanning electrochemical cell microscopy). To výzkumníkům umožnilo vizualizovat prostorové rozložení proudů protonů skrz grafenové membrány. Pokud by transport protonů probíhal skrz otvory, proudy by se soustředily do několika izolovaných míst. Žádná taková izolovaná místa ale nebyla nalezena, což vyloučilo přítomnost děr v grafenových membránách. Grafen je tedy pro protony propustný už ze své podstaty.
Ukázalo se navíc, že protonové proudy se urychlují v okolí nanometrových vrásek v krystalech. Vědci zjistili, že je to způsobeno tím, že vrásky účinně „protahují“ grafenovou mřížku, čímž právě způsobují její propustnost (PH: dalo by se to tedy snad říct tak, že nanootvory nejsou poruchy, protože jsou přítomné v celé struktuře grafenu).
Vlnky a vrásky ve 2D materiálech mění nejen propustnost pro ionty, ale mohly by fungovat i jako katalytická centra nového typu pro chemické reakce, dodává průvodní tisková zpráva.
Marcelo Lozada-Hidalgo, Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
Zdroj: University of Manchester / Phys.org
strana sestiuhelniku v grafenu je asi 1.42 A, atom vodiku je velky asi 1.1 A, mohl by vodik prolezt vnitrkem sestiuhelniku?
Pokud by „vráska“ byla „zajímavá“ pro elektron, ten by proton za sebou urychlil a cvrnkl skrz a na druhé straně by si musel vzdalující se proton zase elektron sebrat zpět 🙂
Pokud by se do šestiúhelníku grafenu dostával atom vodíku o velikosti strany 1,06 A (106 pm), pak by to byl problém. Bavíme se ale o protonu vodíku (kation vodíku) de facto bez elektronového obalu a ten má velikost 0,00002 A (0,00168 pm). Grafen, který asi má stranu v šestiúhelníku 1,42 A (142 pm) je zcela propustný pro migrující proton vodíku.