Протоны способны проникать в графен
 Электронные облака ряда двумерных кристаллов. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Сейчас, когда в обозримой перспективе нам предстоит «энергетический голод», водородные топливные элементы могли бы стать привлекательной альтернативой традиционным источникам энергии. Как известно, водородные топливные элементы преобразуют химическую энергию в метане и этаноле в электричество. Они используют мембраны, чтобы блокировать передачу загрязняющих веществ, позволяя протонам (ионизированному водороду) свободно проходить. Но в каком-то смысле традиционные материалы, используемые в качестве фильтров, - это всегда компромисс, поскольку для полного блокирования загрязняющих веществ нужно повышение толщины слоя, но при этом более толстый материал обладает низкой протонной проводимостью.
Группа ученых из University of Manchester (Великобритания), а также их коллеги из Chinese Academy of Sciences (Китай) и Radboud University of Nijmegen (Нидерланды) предположили, что графеновая мембрана потенциально может предотвратить проникновение загрязнения, имея при этом не столь высокое сопротивление току протонов, как считалось ранее.
Для измерения проводимости графена на эксперименте ученые использовали монослой двумерного материала, размещенного на круглом отверстии в мембране из нитрида кремния. Мембрана помещалась в камеру, заполненную газообразным водородом, и к ней прикладывалось напряжение для измерения проводимости протонов через двумерный материал.
Ученые провели две серии измерений: на графене и на нитриде бора. Выяснилось, что оба материала хорошо проницаемы для протонов. При этом нитрид бора более проницаем при низких температурах, а графен – при высоких. Интересно, что два слоя графена (как и два слоя нитрида бора) оказались непроницаемы для протонов.
В рамках своей работы ученые предложили теоретическое обоснование полученным результатам. Атомы в графене и нитриде бора расположены в узлах двумерной гексагональной решетки. Электронное облако вокруг этих атомов ранее считалось настолько плотным, что протоны не могут проникнуть сквозь него. Тем не менее, проведенные измерения показывают, что распределение электронов вокруг атомов таково, что существуют как более, так и менее «плотные» области. Т.е. в однослойной мембране существуют практически отверстия. При совмещении двух и более слоев материалов плотные участки одного слоя перекрывают менее плотные участки другого, блокируя прохождение протонов. К сожалению, качественно это объяснение имеет смысл для низкотемпературных измерений. Т.е. результаты эксперимента оставляют без ответа целый ряд вопросов о том, как субатомные частицы проникают через электронные облака.
Результаты экспериментальных измерений показали, что барьер для протонов оказался в два раза меньше, чем предсказывала теория. Исследователи предположили, что такие разногласия могут быть связаны с тем, что в процессе задействуется химия, не учтенная при первоначальном расчете. Поскольку скорость не линейно зависит от величины барьера, предсказанное ранее время проникновения, равное миллиарду лет, превращается в нечто более разумное. Причем, измеренная таким образом протонная проводимость уже превышает целевой показатель, установленный Министерством энергетики США для достижения к 2020 году. Эти результаты открывают интригующие возможности для теоретиков для дальнейшего изучения вопроса. Кроме того, работа может пригодиться для создания более эффективных топливных элементов.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Также по теме:
- Многослойный графен позволит создавать гибкие дисплеи
- Нейтральные электроды из графена открывают путь для исследований мозга
- Предложена методика прекращения деградации фосфорена
- Двумерные дихалькогениды металлов позволят создать тонкопленочные лазеры
- Туннельный переход позволяет считывать одиночные молекулы
Источники: