La découverte du graphène pourrait aider à produire de l’hydrogène à moindre coût et de manière durable

Des chercheurs de l’Université de Warwick et de l’Université de Manchester 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 a 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 les cristaux de graphène parfaits sont perméables aux protons. De manière inattendue, les protons sont fortement accélérés autour des rides et ondulations à l’échelle nanométrique du 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 des protons s’effectuait à travers des trous, comme le spéculent certains scientifiques, les courants seraient concentrés dans quelques endroits isolés. Aucun point isolé de ce type n’a été trouvé, ce qui exclut la présence de trous dans les membranes de graphène.

Drs. Segun Wahab et Enrico Daviddi, principaux auteurs de l’article, ont commenté : « Nous avons été surpris de ne voir 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. Ce constat réconcilie désormais 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 de ce maillage – c’est vraiment 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 façon 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.

Lire l’article complet ici https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6

Source: Université de Warwick