La permeabilidad protónica del grafeno: un interruptor para las futuras tecnologías energéticas
Este descubrimiento podría conducir al desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno y dispositivos solares de separación de agua más eficaces
Investigadores del Instituto Nacional del grafeno de la Universidad de Manchester han descubierto una forma de utilizar la luz para acelerar el transporte de protones a través del grafeno, lo que podría revolucionar la forma de generar hidrógeno.
El transporte de protones es un paso clave en muchas tecnologías de energías renovables, como las pilas de combustible de hidrógeno y la división solar del agua, y los científicos de Manchester ya habían demostrado anteriormente que el grafeno es permeable a los protones.
Un nuevo estudio publicado en Nature Communications ha demostrado que la luz puede utilizarse para acelerar el transporte de protones a través del grafeno. El grafeno es una capa simple de átomos de carbono que es un excelente conductor de la electricidad y el calor. Sin embargo, antes se pensaba que el grafeno era impermeable a los protones.
Los investigadores descubrieron que cuando el grafeno se ilumina con luz, los electrones del grafeno se excitan. Estos electrones excitados interactúan entonces con los protones, acelerando su transporte a través del material.
Este descubrimiento podría tener importantes repercusiones en el desarrollo de nuevas tecnologías de energías renovables. Por ejemplo, podría conducir al desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno y dispositivos solares de separación de agua más eficientes.
"Comprender la conexión entre las propiedades electrónicas y de transporte de iones en las interfaces electrodo-electrolito a escala molecular podría permitir nuevas estrategias para acelerar procesos fundamentales para muchas tecnologías de energías renovables, como la generación y utilización de hidrógeno", afirmó el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo, investigador principal.
El grafeno, una sola capa de átomos de carbono, es un excelente conductor electrónico y, sorprendentemente, también permeable a los protones. Sin embargo, se creía que sus propiedades electrónicas y protónicas no tenían nada que ver. Ahora, el equipo ha medido tanto el transporte de protones como las propiedades electrónicas del grafeno bajo iluminación y ha descubierto que la excitación de electrones en el grafeno con luz acelera el transporte de protones.
La prueba irrefutable de esta conexión fue la observación de un fenómeno conocido como "bloqueo de Pauli" en el transporte de protones. Se trata de una propiedad electrónica inusual del grafeno, nunca observada en el transporte de protones. En esencia, es posible aumentar la energía de los electrones en el grafeno hasta tal punto que éste deje de absorber la luz, de ahí el "bloqueo". Los investigadores demuestran que el mismo bloqueo se produce en el transporte de protones impulsado por la luz al aumentar la energía de los electrones en el grafeno. Esta inesperada observación demuestra que las propiedades electrónicas del grafeno son importantes para sus propiedades de permeación de protones.
El Dr. Shiqi Huang, coautor del trabajo, declaró: "Nos sorprendió que la fotorespuesta de nuestros dispositivos conductores de protones pudiera explicarse por el mecanismo de bloqueo de Pauli, que hasta ahora sólo se había observado en mediciones electrónicas. Esto nos permite comprender cómo interactúan protones, electrones y fotones en interfaces atómicamente delgadas".
"En nuestros dispositivos, el grafeno es bombardeado con protones que atraviesan su nube electrónica. Nos sorprendió ver que los electrones fotoexcitados podían controlar este flujo de protones", comentó el Dr. Eoin Griffin, co-primer autor.
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