Elektrische velden vergroten het potentieel van grafeen, blijkt uit onderzoek

Onderzoekers van het National Graphene Institute hebben een ontdekking gedaan die een revolutie teweeg kan brengen in het benutten van energie en informatieverwerking. Hun studie, gepubliceerd in Natuuronthult hoe elektrische veldeffecten gekoppelde elektrochemische processen in grafeen selectief kunnen versnellen.

Elektrochemische processen zijn essentieel in technologieën voor hernieuwbare energie, zoals batterijen, brandstofcellen en elektrolyzers. Hun efficiëntie wordt echter vaak belemmerd door langzame reacties en ongewenste bijwerkingen. Traditionele benaderingen hebben zich geconcentreerd op nieuwe materialen, maar er blijven nog steeds aanzienlijke uitdagingen bestaan.

Het Manchester-team, onder leiding van Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo, heeft voor een nieuwe aanpak gekozen. Ze hebben met succes de onlosmakelijke link tussen lading en elektrisch veld binnen grafeenelektroden ontkoppeld, waardoor een ongekende controle over elektrochemische processen in dit materiaal mogelijk is. De doorbraak daagt eerdere aannames uit en opent nieuwe wegen voor energietechnologieën.

Dr. Lozada-Hidalgo beschouwt deze ontdekking als transformerend en zei: “We zijn erin geslaagd een voorheen ontoegankelijke parameterruimte te ontsluiten. Een manier om dit te visualiseren is door je een veld op het platteland voor te stellen met heuvels en valleien. systeem en een bepaalde katalysator, zou een elektrochemisch proces een vast pad door dit veld volgen.

“Als het pad door een hoge heuvel of een diep dal gaat: pech. Ons werk laat zien dat we, in ieder geval voor de processen die we hier hebben onderzocht, toegang hebben tot het hele veld. Als er een heuvel of vallei is, willen we dat niet doen.” om naar toe te gaan, kunnen we het vermijden.”

De studie richt zich op protongerelateerde processen die van fundamenteel belang zijn voor waterstofkatalysatoren en elektronische apparaten. Concreet onderzocht het team twee protonprocessen in grafeen:

• Protonenoverdracht: Dit proces is belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe waterstofkatalysatoren en brandstofcelmembranen.

• Protonenadsorptie (hydrogenering): Belangrijk voor elektronische apparaten zoals transistors: dit proces schakelt de geleidbaarheid van grafeen aan en uit.

Traditioneel werden deze processen gekoppeld in grafeenapparaten, waardoor het een uitdaging was om de ene te controleren zonder de andere te beïnvloeden. De onderzoekers slaagden erin deze processen te ontkoppelen en ontdekten dat elektrische veldeffecten de protonentransmissie aanzienlijk konden versnellen terwijl ze onafhankelijk de hydrogenering aandreven. Deze selectieve versnelling was onverwacht en presenteert een nieuwe methode om elektrochemische processen aan te sturen.

Dr. Jincheng Tong, eerste auteur van het artikel, benadrukte de bredere implicaties in energietoepassingen en zei: “We demonstreren dat elektrische veldeffecten elektrochemische processen in 2D-kristallen kunnen ontwarren en versnellen. Dit zou kunnen worden gecombineerd met de allernieuwste technieken.” katalysatoren om complexe processen zoals CO2 efficiënt aan te sturen₂ reductie, die enorme maatschappelijke uitdagingen blijven.”

Dr. Yangming Fu, co-eerste auteur, wees op mogelijke toepassingen in de computerwereld en zei: “Controle van deze processen geeft onze grafeenapparaten een dubbele functionaliteit als geheugen en logische poort. Dit maakt de weg vrij voor nieuwe computernetwerken die met protonen werken. Dit zou compacte, energiezuinige analoge computerapparatuur mogelijk kunnen maken.”