Forscher des National Graphene Institute der Universität Manchester haben eine Möglichkeit entdeckt, Licht zu nutzen, um den Protonentransport durch Graphen zu beschleunigen, was die Art und Weise, wie wir Wasserstoff erzeugen, revolutionieren könnte.
Der Protonentransport ist ein wichtiger Schritt in vielen Technologien für erneuerbare Energien, wie beispielsweise Wasserstoff-Brennstoffzellen und solarer Wasserspaltung, und Wissenschaftler aus Manchester haben bereits zuvor gezeigt, dass er für Protonen durchlässig ist.
Ihre neue Studie veröffentlicht In Naturkommunikation hat gezeigt, dass Licht genutzt werden kann, um den Protonentransport durch Graphen zu beschleunigen. Graphen ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die sowohl Strom als auch Wärme hervorragend leitet. Bisher ging man jedoch davon aus, dass Graphen für Protonen undurchlässig sei.
Die Forscher fanden heraus, dass die Elektronen im Graphen angeregt werden, wenn Graphen mit Licht beleuchtet wird. Diese angeregten Elektronen interagieren dann mit Protonen und beschleunigen so deren Transport durch das Material.
Diese Entdeckung könnte erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Technologien für erneuerbare Energien haben. Dies könnte beispielsweise zur Entwicklung effizienterer Wasserstoff-Brennstoffzellen und solarer Wasserspaltungsgeräte führen.
„Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen elektronischen und Ionentransporteigenschaften in Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen auf molekularer Ebene könnte neue Strategien zur Beschleunigung von Prozessen ermöglichen, die für viele erneuerbare Energietechnologien, einschließlich der Wasserstofferzeugung und -nutzung, von zentraler Bedeutung sind“, sagte der leitende Forscher Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo.
Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, ist ein ausgezeichneter elektronischer Leiter und erwies sich überraschenderweise auch als durchlässig für Protonen. Es wurde jedoch angenommen, dass seine Protonen- und elektronischen Eigenschaften völlig unabhängig voneinander sind. Nun hat das Team sowohl den Protonentransport als auch die elektronischen Eigenschaften von Graphen unter Beleuchtung gemessen und herausgefunden, dass die Anregung von Elektronen in Graphen mit Licht den Protonentransport beschleunigt.
Der schlagende Beweis für diesen Zusammenhang war die Beobachtung eines Phänomens, das als „Pauli-Blockierung“ beim Protonentransport bekannt ist. Dies ist eine ungewöhnliche elektronische Eigenschaft von Graphen, die beim Protonentransport nie beobachtet wurde. Im Wesentlichen ist es möglich, die Energie der Elektronen in Graphen so weit zu erhöhen, dass Graphen kein Licht mehr absorbiert – daher die „Blockierung“.
Die Forscher zeigen, dass die gleiche Blockierung beim lichtgetriebenen Protonentransport stattfindet, indem sie die Energie der Elektronen in Graphen erhöhen. Diese unerwartete Beobachtung zeigt, dass die elektronischen Eigenschaften von Graphen für seine Protonenpermeationseigenschaften wichtig sind.
Dr. Shiqi Huang, Co-Erstautor der Arbeit, sagte: „Wir waren überrascht, dass die Fotoreaktion unserer protonenleitenden Geräte durch den Pauli-Blockierungsmechanismus erklärt werden konnte, der bisher nur bei elektronischen Messungen beobachtet wurde. Dies liefert Einblicke in.“ wie Protonen, Elektronen und Photonen in atomar dünnen Grenzflächen interagieren.“
„In unseren Geräten wird Graphen effektiv mit Protonen bombardiert, die seine elektronische Wolke durchdringen. Wir waren überrascht zu sehen, dass fotoangeregte Elektronen diesen Protonenfluss steuern konnten“, sagte Dr. Eoin Griffin, Co-Erstautor.
Mehr Informationen:
S. Huang et al., Gate-gesteuerte Unterdrückung des lichtgetriebenen Protonentransports durch Graphenelektroden, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42617-4