科学者たちは、グラフェンが自然に陽子を透過できることを証明しました。 彼らは、走査電気化学セル顕微鏡法と呼ばれる技術を使用して、陽子がグラフェン結晶中を移動するだけでなく、そのナノスケールのしわの周囲で加速することを観察しました。 これまでの理論に疑問を投げかけるこの発見は、高価で環境に有害な触媒や膜を持続可能な2D結晶に置き換えることにより、水素経済を強化する大きな可能性を秘めています。
そして研究者たちはそれを発見しました グラフェン 特にその周囲では、自然にプロトン輸送が可能になります。 ナノスケール シワ。 この発見は、既存の触媒や膜に代わる持続可能な代替手段を提供することで、水素経済に革命をもたらす可能性があります。
からの科学者 ウォリック大学 そしてマンチェスター大学は、なぜグラフェンが理論的に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。
この話は 10 年前、マンチェスター大学の科学者らが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たときに始まりました。
この結果は予期せぬものであり、陽子がグラフェンの緻密な結晶構造を通過するには数十億年かかるという理論的予測に反するものでした。 この非対称性のため、陽子は結晶格子自体を通過するのではなく、グラフェン構造の小さな穴、つまり小さな穴を通って浸透するのではないかという理論がありました。
雑誌の最近の出版物で 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・ロサダ・イダルゴ博士とアンドレ・ジェム教授率いるマンチェスター大学との共同研究で、研究結果が発表された。 彼らは、高い空間分解能の測定を使用して、完全なグラフェン結晶が実際にプロトン輸送を可能にすることを決定的に実証しました。 そして驚くべき展開として、グラフェン結晶内のナノスケールのしわや波紋の周囲で陽子が強く加速していることも発見した。
2D 結晶全体にわたるプロトン輸送の予期せぬ不均一性。 クレジット： 自然 / 土井: 10.1038/s41586-023-06247-6
水素経済への影響
この先駆的な発見は、水素経済にとって非常に重要です。 現在の水素の生成と利用のメカニズムは高価な触媒や膜に依存していることが多く、その中には環境に顕著な影響を与えるものもあります。 これをグラフェンのような持続可能な 2D 結晶に置き換えることは、グリーン水素の生産を促進する上で極めて重要な役割を果たすことができ、それによって炭素排出量が削減され、カーボンニュートラル環境への移行が促進されます。
結論に達するために、研究者らは走査型電気化学セル顕微鏡法 (SECCM) を使用しました。 この技術により、ナノメートルサイズの領域で小さな陽子流を測定できるようになり、グラフェン膜を横切る陽子流の空間分布を視覚化できるようになりました。
陽子の移動がグラフェンの穴に限定されている場合、電流は特定の領域で分離される可能性があります。 しかし、そのような集中電流は観察されておらず、したがってグラフェン構造内に存在する正孔の理論の間違いであることが判明した。
グラフェンとは何ですか?
グラフェンは、二次元ハニカム格子状に配置された炭素原子の単層です。 優れた強度、導電性、薄さで知られており、科学技術の分野で最も有望で多用途な材料の 1 つです。
研究者のコメントとメモ
この研究の筆頭著者であるセグン・ワハブ博士とエンリコ・ダビデ博士は、グラフェン結晶に欠陥が存在しないことに驚きを表明し、次のように述べた。 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で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、陽子流が結晶内のナノメートルサイズのしわの周りで加速していることが発見されました。 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多くの余地を与えるためにこれが起こることを発見した。 この観察は現在、実験と理論を調和させています。
「私たちは格子を原子スケールで効果的に引き伸ばしており、この格子内の拡張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。これは本当に気が遠くなるような現象です」とロザダ・ヒダルゴ博士は語った。
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、プロトンを組み込んだ次世代の膜やセパレーターを設計するための刺激的な可能性を切り開いています。」とコメントした。
チームは、この発見が新しい水素技術への道をどのように切り開くことができるかについて楽観的です。
「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スピードアップ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触媒の開発につながる可能性があります。」とロザダ・ヒダルゴ博士は述べました。
参考文献：「二次元結晶におけるナノスケールリップルを介したプロトン輸送」OJ Wahab、E. Daviddi、B. Xin、PZ Sun、E. Griffin、AW Colburn、D. Barry、M. Yagmurcukardes、FM Peeters、AK Geim、 M Lozada-Hidalgo と BR Unwin、2023 年 8 月 23 日、ここから入手可能。 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06247-6
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