ウォリック大学とマンチェスター大学の研究者らは、なぜグラフェンが理論で予想されているよりも陽子を透過しやすいのかという長年の謎をついに解決した。
グラフェン – 例示的な写真。 画像クレジット: Pixabay (無料 Pixabay ライセンス)
XNUMX年前、マンチェスター大学の科学者たちは、グラフェンが水素原子の核である陽子を透過できることを実証しました。
理論では、陽子がグラフェンの緻密な結晶構造を透過するには数十億年かかると予測されていたため、予期せぬ結果はコミュニティで議論を巻き起こしました。 このことから、陽子は結晶格子自体を通過するのではなく、その構造内のピンホールを通過するのではないかという示唆がもたらされました。
さて、 自然パトリック・アンウィン教授率いるウォリック大学と、マルセロ・ロザダ＝ヒダルゴ博士とアンドレ・ガイム教授率いるマンチェスター大学との共同研究で、グラフェンを通る陽子輸送の超高空間分解能測定を報告し、証明した。完璧なグラフェン結晶は陽子を透過するということです。 予期せぬことに、陽子は結晶内のナノスケールのしわや波紋の周囲で強く加速されます。
この発見は水素経済を加速する可能性を秘めています。 現在、水素の生成と利用に使用されている高価な触媒や膜は、場合によっては重大な環境負荷を伴いますが、より持続可能な 2D 結晶に置き換えることができ、炭素排出量を削減し、グリーン水素の生成を通じてネットゼロに貢献できる可能性があります。
チームは、として知られるテクニックを使用しました。 走査型電気化学セル顕微鏡法 (SECCM) ナノメートルサイズの領域から収集された微小な陽子流を測定します。 これにより、研究者らはグラフェン膜を通る陽子流の空間分布を視覚化することができました。
一部の科学者が推測したように、陽子の輸送が穴を通して行われる場合、電流はいくつかの孤立した場所に集中するでしょう。 そのような孤立したスポットは見つからず、グラフェン膜に穴が存在する可能性は排除されました。
博士たち。 この論文の主著者であるセグン・ワハブ氏とエンリコ・ダビディ氏は次のようにコメントしている。 私たちの結果は、グラフェンが本質的に陽子に対して透過性があるという顕微鏡的な証拠を提供します。」
予期せぬことに、陽子流は結晶内のナノメートルサイズのしわの周囲で加速されることが判明した。 科学者らは、このシワがグラフェン格子を効果的に「引き伸ばし」、陽子が元の結晶格子を透過するためのより大きな空間を提供するためにこれが生じることを発見した。 この観察は現在、実験と理論を調和させています。
ロザダ・ヒダルゴ博士は、「私たちは原子スケールのメッシュを効果的に引き伸ばし、このメッシュ内の引き伸ばされた原子間空間を流れるより高い電流を観察しています。これは本当に驚くべきことです。」と述べました。
アンウィン教授は、「これらの結果は、私たちの研究室で開発されたSECCMが、電気化学界面の微視的な洞察を得る強力な技術であることを示しており、これにより、プロトンを含む次世代の膜およびセパレーターの設計に刺激的な可能性が開かれます。」とコメントしました。
著者らは、この発見が新しい水素ベースの技術を可能にする可能性に興奮しています。 ロザダ・ヒダルゴ博士は、「2D 結晶の波紋やしわの触媒活性を利用することは、イオン輸送と化学反応を加速する根本的に新しい方法です。 これは、水素関連技術のための低コストの触媒の開発につながる可能性があります。」
ここで論文全文を読む https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
ソース： ウォリック大学
