Des chercheurs de l’Université de Manchester et de l’Université de Warwick ont finalement résolu l’énigme de longue date de la raison pour laquelle le graphène est beaucoup plus perméable aux protons que ne le prévoyait la théorie.
Il y a dix ans, des scientifiques de l’Université de Manchester ont démontré que le graphène est perméable aux protons, noyaux des atomes d’hydrogène. Ce résultat inattendu a déclenché un débat au sein de la communauté, car la théorie prédisait qu’il faudrait des milliards d’années à un proton pour pénétrer à travers la structure cristalline dense du graphène. Cela avait conduit à suggérer que les protons ne pénètrent pas à travers le réseau cristallin lui-même, mais à travers les trous d’épingle dans sa structure.
Maintenant, en écrivant Nature, une collaboration entre l’Université de Warwick, dirigée par le professeur Patrick Unwin, et l’Université de Manchester, dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Andre Geim, rapportent des mesures à ultra-haute résolution spatiale du transport de protons à travers le graphène et prouvent que parfait les cristaux de graphène sont perméables aux protons. De manière inattendue, les protons sont fortement accélérés autour des rides et des ondulations à l’échelle nanométrique dans le cristal.
Cette découverte a le potentiel d’accélérer l’économie de l’hydrogène. Les catalyseurs et membranes coûteux, parfois avec une empreinte environnementale importante, actuellement utilisés pour générer et utiliser de l’hydrogène pourraient être remplacés par des cristaux 2D plus durables, réduisant ainsi les émissions de carbone et contribuant à zéro émission nette grâce à la génération d’hydrogène vert.
L’équipe a utilisé une technique connue sous le nom de microscopie cellulaire électrochimique à balayage (SECCM) pour mesurer d’infimes courants de protons collectés dans des zones de taille nanométrique. Cela a permis aux chercheurs de visualiser la distribution spatiale des courants de protons à travers les membranes de graphène. Si le transport de protons avait lieu à travers des trous, comme certains scientifiques l’ont supposé, les courants seraient concentrés dans quelques points isolés. Aucune de ces taches isolées n’a été trouvée, ce qui a exclu la présence de trous dans les membranes de graphène.
Les Drs Segun Wahab et Enrico Daviddi, principaux auteurs de l’article, ont commenté : « Nous avons été surpris de ne constater absolument aucun défaut dans les cristaux de graphène. Nos résultats fournissent la preuve microscopique que le graphène est intrinsèquement perméable aux protons. »
De manière inattendue, les courants de protons se sont avérés accélérés autour de rides de taille nanométrique dans les cristaux. Les scientifiques ont découvert que cela se produit parce que les rides « étirent » efficacement le réseau de graphène, offrant ainsi un plus grand espace permettant aux protons de pénétrer à travers le réseau cristallin vierge. Cette observation réconcilie maintenant l’expérience et la théorie.
Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré : « Nous étirons effectivement un maillage à l’échelle atomique et observons un courant plus élevé à travers les espaces interatomiques étirés dans ce maillage – ahurissant. »
Le professeur Unwin a commenté : « Ces résultats présentent le SECCM, développé dans notre laboratoire, comme une technique puissante pour obtenir des informations microscopiques sur les interfaces électrochimiques, ce qui ouvre des possibilités passionnantes pour la conception de membranes et de séparateurs de nouvelle génération impliquant des protons. »
Les auteurs sont enthousiasmés par le potentiel de cette découverte pour permettre de nouvelles technologies basées sur l’hydrogène.
Le Dr Lozada-Hidalgo a déclaré : « L’exploitation de l’activité catalytique des ondulations et des rides dans les cristaux 2D est une manière fondamentalement nouvelle d’accélérer le transport des ions et les réactions chimiques. Cela pourrait conduire au développement de catalyseurs à faible coût pour les technologies liées à l’hydrogène.
Plus d’information:
Marcelo Lozada-Hidalgo, Transport de protons à travers des ondulations à l’échelle nanométrique dans des cristaux bidimensionnels, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6