Los científicos han encontrado una manera de acelerar el transporte de protones a través del grafeno utilizando luz. La innovación podría abrir nuevas vías para producir hidrógeno verde
En los últimos años, los investigadores se han interesado por el transporte de protones en el grafeno debido a sus posibles usos en pilas de combustible, sensores y otros dispositivos electroquímicos. El proceso se puede utilizar en el desarrollo de energías renovables, en particular del hidrógeno verde.
La estructura atómicamente delgada del grafeno lo hace impenetrable a una variedad de elementos, incluidos los protones. Sin embargo, los bordes, los defectos y la funcionalización del grafeno pueden abrir canales para la difusión de protones. La temperatura, la humedad y la existencia de grupos funcionales son algunas de las variables que afectan al flujo de protones en el grafeno.
Acelerar el transporte de protones utilizando la luz
Ahora, científicos del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester han encontrado una manera de acelerar el transporte de protones a través del grafeno utilizando luz. La innovación podría abrir nuevas vías para producir hidrógeno verde.
Los científicos descubrieron que la estimulación luminosa del grafeno hace que sus electrones se exciten. Luego, los protones pueden interactuar con estos electrones excitados, lo que acelera su paso a través del material.
El avance puede allanar el camino para la creación de dispositivos solares para dividir el agua y celdas de combustible de hidrógeno más efectivas, todos ellos elementos esenciales en la producción de hidrógeno verde.
«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 centrales para muchas tecnologías de energía renovable, incluida la generación y utilización de hidrógeno», dijo el investigador principal, el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo.
El grupo observó las características eléctricas y de transporte de protones del grafeno bajo iluminación y descubrió que la excitación de electrones inducida por la luz acelera el transporte de protones.
La prueba decisiva de esta relación fue el descubrimiento de un fenómeno de transporte de protones, el llamado «bloqueo de Pauli». Básicamente, el «bloqueo» se produce cuando la energía de los electrones del grafeno aumenta hasta el punto en que el grafeno ya no puede absorber la luz.
Un proceso nunca antes presenciado
Esta peculiar característica eléctrica del grafeno nunca antes se había observado en el proceso de transporte de protones y, si se manipula adecuadamente, podría conducir a vías más eficientes y confiables para la generación de hidrógeno verde.
“Nos sorprendió que la respuesta fotográfica 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 proporciona información sobre cómo interactúan los protones, electrones y fotones en interfaces atómicamente delgadas”, dijo el Dr. Shiqi Huang, coprimer autor del trabajo.
Aunque el grafeno tiene el potencial de mejorar una serie de características de la producción de hidrógeno verde, es necesario realizar más investigaciones en esta área para ver aplicaciones en el mundo real. Para poner en práctica los materiales basados en grafeno, se deben resolver cuestiones como su estabilidad a largo plazo, escalabilidad y rentabilidad.
Aún así, el campo de la investigación del grafeno ve hoy una convergencia de la ciencia de los materiales, la electroquímica y la investigación de energías renovables que podría conducir a la creación de técnicas de generación de hidrógeno más sostenibles y efectivas.
El estudio se publica en la revista Nature Communications.
Resumen del estudio:
Experimentos recientes demostraron que el transporte de protones a través de electrodos de grafeno puede acelerarse en más de un orden de magnitud con iluminación de baja intensidad. Aquí mostramos que este fotoefecto se puede suprimir para una fracción sintonizable del espectro infrarrojo aplicando una polarización de voltaje. Utilizando mediciones de fotocorriente y espectroscopía Raman, demostramos que dicha fracción se puede seleccionar ajustando la energía de Fermi de los electrones en grafeno con un sesgo, un fenómeno controlado por el bloqueo de Pauli de los electrones fotoexcitados. Estos hallazgos demuestran una dependencia entre las propiedades electrónicas y de transporte de protones del grafeno y proporcionan información fundamental sobre las interfaces electrodo-electrolito molecularmente delgadas y su interacción con la luz.
