Недавно открытый материал графен продолжает понемногу раскрывать исследователям свои удивительные свойства. Ученый Андрей Гейм, который совместно с Константином Новоселовым в 2010 году получил Нобелевскую премию за открытие графена, продолжает активно исследовать новые свойства и характеристики материала.

Одноатомный материал из графена обладает высокой прочностью и гибкостью, а изделия из него используют в оптике, механике, здравоохранении и ряде многих других областей. Теперь Гейм предложил использовать графен в качестве фильтрующего материала. Вообще-то упорядоченный одноатомный углерод благодаря своей структуре не пропускает газы и жидкости, из-за чего его применяют в стойких к коррозии материалах и герметичных упаковках.

В то же время при наличии таких катализаторов как платина графен легко пропускает протоны, то есть, по сути положительно заряженные атомы водорода. А как известно, в атмосфере в определенной долевой пропорции присутствует водород именно в такой форме.

Для дальнейших исследований ученые взяли две емкости. Одна из них была пустая, а другую заполнили смесью аргона и водорода. Далее физики наблюдали процесс успешной миграции атомов водорода сквозь слой графена в пустую емкость. По мнению Гейма подобная характеристика графена позволит активно его использовать, например, в установках для наполнения водородом топливных ячеек.

Принцип работы таких устройств основан на окислении водорода кислородом без воспламенения с выработкой в результате электрического тока. Но существующие мембранные технологии пропускают не только отдельные протоны, но и другие более крупные молекулы и их соединения, из-за чего производительность подобных устройств оставляет желать лучшего.

Министерство энергетики Соединенных Штатов планирует увеличить проводимость существующих видов мембран максимум до 50 сименсов на единицу площади, в то время как в графеновых мембранах значение проводимости при повышении температуры свыше 100 градусов Цельсия уже равняется 1000 сименсов без каких-либо улучшений и проведения дополнительных исследований.

Подобное свойство графена позволит значительно ускорить развитие систем зарядки топливных ячеек и их массовое использование в автомобилестроении. К тому же мембранные свойства графена позволят получать водород прямо из атмосферы. По словам Гейма, в этом случае графен будет работать как сито. Достаточно будет создать разность потенциалов на противоположных концах графеновой мембраны, чтобы улавливать из окружающего воздуха водород.

Ученые пока что не проводили массовые исследования по получению водорода из воздуха, и их выводы базируются на теоретических выкладках и результатах нескольких экспериментов по изучению мембранных свойств графена. Вместе с тем исследователи убеждены, что создать подобную установку, позволяющую извлекать водород из атмосферы в промышленных масштабах, вполне возможно. По оценкам физиков, примерно 1% водорода, который находится в свободном виде в атмосфере, можно будет улавливать с помощью графена практически бесплатно.

По словам соавтора исследований Марчело Лозада-Идальго, создание установки не представляет особого труда, особенно когда знаешь основной принцип, на котором она работает. По его мнению, достаточно будет взять подходящую емкость с примесью водорода, установить на нее графеновую мембрану и пустить по ней ток, чтобы получить пригодный для окисления в водородном двигателе газ. Ну а довести мощность агрегата до промышленных значений можно в достаточно сжатые сроки.

Визуальный материал из научной публикации в «nature» (Proton transport through one-atom-thick crystals):