Studie zeigt: Elektrische Felder steigern das Potenzial von Graphen

Forscher am National Graphene Institute haben eine Entdeckung gemacht, die die Energienutzung und Informationsverarbeitung revolutionieren könnte. Ihre Studie, veröffentlicht In Naturzeigt, wie elektrische Feldeffekte gekoppelte elektrochemische Prozesse in Graphen gezielt beschleunigen können.

Elektrochemische Prozesse sind für erneuerbare Energietechnologien wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseure von entscheidender Bedeutung. Ihre Effizienz wird jedoch häufig durch langsame Reaktionen und unerwünschte Nebenwirkungen beeinträchtigt. Traditionelle Ansätze konzentrieren sich auf neue Materialien, doch es bleiben erhebliche Herausforderungen bestehen.

Das Team aus Manchester unter der Leitung von Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo hat einen neuartigen Ansatz verfolgt. Es gelang ihnen, die untrennbare Verbindung zwischen Ladung und elektrischem Feld in Graphenelektroden aufzulösen und damit eine beispiellose Kontrolle über elektrochemische Prozesse in diesem Material zu ermöglichen. Der Durchbruch stellt bisherige Annahmen in Frage und eröffnet neue Wege für Energietechnologien.

Dr. Lozada-Hidalgo betrachtet diese Entdeckung als bahnbrechend und sagte: „Es ist uns gelungen, einen bisher unzugänglichen Parameterraum zu erschließen. Man kann sich das so vorstellen, als ob man ein Feld auf dem Land mit Hügeln und Tälern hätte. Klassischerweise würde ein elektrochemischer Prozess für ein bestimmtes System und einen bestimmten Katalysator einen festgelegten Pfad durch dieses Feld durchlaufen.

„Wenn der Weg über einen hohen Hügel oder ein tiefes Tal führt – Pech gehabt. Unsere Arbeit zeigt, dass wir zumindest für die Prozesse, die wir hier untersucht haben, Zugriff auf das gesamte Feld haben. Wenn es einen Hügel oder ein Tal gibt, zu dem wir nicht wollen, können wir es vermeiden.“

Die Studie konzentriert sich auf protonenbezogene Prozesse, die für Wasserstoffkatalysatoren und elektronische Geräte von grundlegender Bedeutung sind. Konkret untersuchte das Team zwei Protonenprozesse in Graphen:

Traditionell wurden diese Prozesse in Graphengeräten gekoppelt, was es schwierig machte, einen Prozess zu steuern, ohne den anderen zu beeinflussen. Den Forschern gelang es, diese Prozesse zu entkoppeln, und sie fanden heraus, dass elektrische Feldeffekte die Protonenübertragung erheblich beschleunigen und gleichzeitig unabhängig davon die Hydrierung vorantreiben können. Diese selektive Beschleunigung war unerwartet und stellt eine neue Methode dar, elektrochemische Prozesse anzutreiben.

Dr. Jincheng Tong, Erstautor der Studie, hob die weitreichenderen Auswirkungen auf Energieanwendungen hervor und sagte: „Wir zeigen, dass elektrische Feldeffekte elektrochemische Prozesse in 2D-Kristallen entwirren und beschleunigen können. Dies könnte mit hochmodernen Katalysatoren kombiniert werden, um komplexe Prozesse wie die CO2-Reduktion effizient voranzutreiben, die nach wie vor enorme gesellschaftliche Herausforderungen darstellen.“

Dr. Yangming Fu, einer der Erstautoren, verwies auf mögliche Anwendungen in der Computertechnik und sagte: „Die Kontrolle dieser Prozesse verleiht unseren Graphenbauelementen eine Doppelfunktion als Speicher und Logikgatter. Dies ebnet den Weg für neue Computernetzwerke, die mit Protonen arbeiten. Dies könnte kompakte, energiesparende analoge Computergeräte ermöglichen.“