Физический эффект в графене полезен для возобновляемой энергии

Исследователи из Манчестерского университета теперь обнаружили еще один неожиданный и новый физический эффект в графенах – мембранах, которые могут использоваться в устройствах для искусственного имитации фотосинтеза.

Image credit: Манчестерский университет

Новые открытия показали увеличение скорости, с которой материал ведет протоны, когда он просто освещен солнечным светом. Эффект «фотопротона», как он был отмечен, можно использовать для проектирования устройств, которые могут непосредственно собирать солнечную энергию для получения газообразного водорода, перспективного зеленого топлива. Это может также представлять интерес для различных других применений, таких как фотокатализ, светоиндуцированное разделение воды и для разработки новых типов сильно эффективных фотоприемников.

Графен представляет собой лист атомов углерода только один атом толщиной и имеет ряд уникальных механических и физических свойств. Это исключительный проводник электронов и способный поглощать свет всех длин волн.

Недавно исследователи обнаружили, что он также проницаем для тепловых протонов (ядер атомов водорода), что означает, что он может использоваться в качестве протонпроводящей мембраны в различных технологических применениях.

Чтобы изучить, как свет влияет на поведение протонов, проникающих через лист углерода, команда во главе с доктором Марсело Лозадой-Идальго и профессором сэром Андреем Геймом удалось изготовить девственные графеновые мембраны и украсить их с одной стороны платиновыми наночастицами. Манчестерские ученые были действительно потрясены, обнаружив, что протонная проводимость этих мембран улучшилась в 10 раз при освещении солнечным светом.

. Наиболее интересным применением является получение водорода в искусственной фотосинтетической системе на основе этих мембран.

Д-р Марсело Лозада-Идальго

Это, по сути, новая экспериментальная система, в которой протоны, электроны и фотоны все упакованы вместе в атомарно тонком объеме. Я уверен, что есть много новой физики, которая будет обнаружена, и последуют новые приложения.

Профессор сэр Андре Гейм

Ученые во всем мире заняты изучением того, как напрямую использовать солнечную энергию для производства возобновляемых видов топлива (например, водорода) путем имитации фотосинтеза в растениях. Эти искусственные «листья» нуждаются в мембранах с чрезвычайно изысканными свойствами, включая проницаемость для газов, смешанную протон-электропроводность, оптическую прозрачность и механическую прочность.

В настоящее время исследователи используют комбинацию протонных и электронно-проводящих полимеров для получения таких структур, но для этого нужны несколько значительных компромиссов, которые можно было бы предотвратить с помощью графена.

Используя масс-спектрометрию и электрические измерения, исследователи объясняют, что они смогли измерить фоточувствительность почти 104 А / Вт, что переводит в почти 5000 молекул водорода, образующихся в ответ на каждый солнечный фотон (легкая частица), падающий на мембрана. Это большое количество по сравнению с имеющимися в настоящее время фотоэлектрическими устройствами, где требуется много тысяч фотонов для создания только одной молекулы водорода.

Мы знали, что графен поглощает свет всех частот и что он также проницаем для протонов, но не было причин для нас ожидать, что фотоны, поглощенные материалом, могут повысить скорость проницаемости протонов через него.
Результат еще более удивителен, когда мы поняли, что мембрана на многие порядки более чувствительна к свету, чем устройства, специально предназначенные для светочувствительности. Примеры таких устройств включают коммерческие фотодиоды или те, которые сделаны из новых 2D-материалов.

Д-р Марсело Лозада-Идальго

Как правило, фотоприемники собирают свет, чтобы генерировать только электричество, но графеновые мембраны генерируют как электричество, так и как побочный продукт водорода. Скорость, с которой они реагируют на свет в микросекундном диапазоне, быстрее по сравнению с большинством коммерческих фотодиодов.

Авторы этой исследовательской работы подтверждают поддержку Фонда регистрации Ллойда, EPSRC (EP / N010345 / 1), проекта Европейского исследовательского совета ARTIMATTER (ERC-2012-ADG) и от Graphene Flagship. M.L.-H. признает стипендию ранней карьеры Леверхульме.

Source link