Yang mengejutkan, graphene dapat membantu menghasilkan hidrogen dengan murah dan berkelanjutan

Para ilmuwan kini telah membuktikan bahwa graphene secara alami dapat ditembus oleh proton. Dengan menggunakan teknik yang disebut pemindaian mikroskop sel elektrokimia, mereka mengamati bahwa proton tidak hanya bergerak melalui kristal graphene, namun juga dipercepat di sekitar kerutan skala nano. Penemuan ini, yang menantang teori-teori sebelumnya, memiliki potensi besar untuk meningkatkan ekonomi hidrogen dengan mengganti katalis dan membran yang mahal dan berbahaya bagi lingkungan dengan kristal 2D yang berkelanjutan.

Dan para peneliti menemukannya graphene Secara alami memungkinkan pengangkutan proton, terutama di sekitarnya skala nano keriput. Penemuan ini dapat merevolusi ekonomi hidrogen dengan menawarkan alternatif berkelanjutan terhadap katalis dan membran yang ada.

ilmuwan dari Universitas Warwick Dan Universitas Manchester akhirnya memecahkan misteri lama mengapa graphene lebih permeabel terhadap proton daripada yang diperkirakan secara teoritis.

Ceritanya dimulai satu dekade lalu, ketika para ilmuwan di Universitas Manchester menunjukkan bahwa graphene dapat ditembus oleh proton, inti atom hidrogen.

Hasil ini tidak terduga dan bertentangan dengan prediksi teoretis bahwa diperlukan waktu miliaran tahun bagi sebuah proton untuk melewati struktur kristal padat graphene. Karena asimetri ini, ada teori bahwa proton mungkin menembus melalui lubang-lubang kecil, atau lubang-lubang kecil, dalam struktur graphene daripada melalui kisi kristal itu sendiri.

Dalam publikasi terbaru di jurnal alam, upaya bersama antara Universitas Warwick, yang dipimpin oleh Profesor Patrick Unwin, dan Universitas Manchester, yang dipimpin oleh Dr Marcelo Lozada Hidalgo dan Profesor Andre Gem, menyajikan temuan mereka. Dengan menggunakan pengukuran resolusi spasial tinggi, mereka secara meyakinkan menunjukkan bahwa kristal graphene yang sempurna memang memungkinkan transpor proton. Dan yang mengejutkan, mereka juga menemukan bahwa proton berakselerasi dengan kuat di sekitar kerutan dan riak skala nano pada kristal graphene.

Heterogenitas transpor proton yang tak terduga melintasi kristal 2D. kredit: alam / doi: 10.1038/s41586-023-06247-6

Implikasinya terhadap perekonomian hidrogen

Penemuan perintis ini sangat penting bagi perekonomian hidrogen. Mekanisme pembangkitan dan pemanfaatan hidrogen saat ini sering kali bergantung pada katalis dan membran yang mahal, yang beberapa di antaranya mempunyai dampak lingkungan yang besar. Menggantinya dengan kristal 2D yang berkelanjutan seperti graphene dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan produksi hidrogen ramah lingkungan, sehingga mengurangi emisi karbon dan membantu transisi menuju lingkungan netral karbon.

Untuk mencapai kesimpulan mereka, para peneliti menggunakan pemindaian mikroskop sel elektrokimia (SECCM). Teknik ini memungkinkan mereka mengukur arus proton kecil di wilayah berukuran nanometer, memungkinkan para peneliti memvisualisasikan distribusi spasial arus proton melintasi membran graphene.

Jika pergerakan proton dibatasi pada lubang di graphene, arus dapat diisolasi di wilayah tertentu. Namun, tidak ada arus terkonsentrasi yang teramati, sehingga membantah teori lubang yang ada pada struktur graphene.

Apa itu graphene?

Grafena adalah lapisan tunggal atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah dua dimensi. Ia dikenal karena kekuatan, konduktivitas, dan ketipisannya yang luar biasa, menjadikannya salah satu material yang paling menjanjikan dan serbaguna di bidang sains dan teknologi.

Komentar dan catatan peneliti

Dr Segun Wahab dan Dr Enrico Davide, penulis utama studi tersebut, mengungkapkan keterkejutan mereka atas tidak adanya cacat pada kristal graphene, dengan mengatakan: “Kami terkejut melihat tidak ada cacat sama sekali pada kristal graphene. Hasil kami memberikan bukti mikroskopis bahwa graphene secara intrinsik dapat ditembus oleh proton.

Tanpa diduga, aliran proton ditemukan dipercepat di sekitar kerutan skala nano pada kristal. Para ilmuwan menemukan bahwa hal ini muncul karena kerutan secara efektif “meregangkan” kisi graphene, sehingga memberikan lebih banyak ruang bagi proton untuk menembus kisi kristal asli. Pengamatan ini sekarang menggabungkan eksperimen dan teori.

“Kami secara efektif meregangkan jaringan listrik pada skala atom dan kami mengamati arus yang lebih tinggi melalui ruang antar atom yang diperluas dalam jaringan ini – sungguh menakjubkan,” kata Dr. Lozada Hidalgo.

Profesor Unwin berkomentar, “Hasil ini menunjukkan SECCM, yang dikembangkan di laboratorium kami, sebagai teknik yang ampuh untuk memperoleh wawasan mikroskopis ke dalam antarmuka elektrokimia, membuka kemungkinan menarik untuk merancang membran dan pemisah generasi berikutnya yang menggabungkan proton.”

Tim optimistis penemuan ini dapat membuka jalan bagi teknologi hidrogen baru.

Dr Lozada Hidalgo berkata: “Memanfaatkan aktivitas katalitik dari riak dan kerutan pada kristal 2D adalah cara baru yang mendasar untuk mempercepat transpor ion dan reaksi kimia. Hal ini dapat mengarah pada pengembangan katalis berbiaya rendah untuk teknologi terkait hidrogen.

Referensi: “Transportasi proton melalui riak skala nano dalam kristal dua dimensi” oleh OJ Wahab, E. Daviddi, B. Xin, PZ Sun, E. Griffin, AW Colburn, D. Barry, M. Yagmurcukardes, FM Peeters, AK Geim, Tersedia di sini M Lozada-Hidalgo dan BR Unwin, 23 Agustus 2023, Tersedia di sini. alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06247-6