Ученые из Северо-Западного университета в Иллинойсе (США) выяснили, что локальные дефекты в кристаллической структуре однослойного графена могут привести к эффективному переносу протонов через него, что пригодится в конструкции топливных батарей.

Графен обладает двухмерной кристаллической решеткой из атомов углерода, расположенных в вершинах правильного шестиугольника. При «комнатном» диапазоне температур перенос протонов через него происходит только при наличии в графене наноразмерных отверстий или при введении в него специальных примесей. Теперь физики открыли, что локальная замена фрагментов такой решетки из атомов углерода другими структурами, например, углеводородами или гидроксильными радикалами, образует дефекты, которые приводят к эффективному переносу протонов через слой графена.

Физики связывают это с механизмом Гротгуса — согласно нему, перенос протона в воде или углеводородах происходит поэтапно, от одной молекулы растворителя к другой, благодаря наличию водородной связи между ними. Водородные связи выступают в качестве основы межмолекулярных взаимодействий и образования полимеров.

Ученые подтвердили свои выводы снимками экспериментального слоя графена с дефектами, полученными с помощью сканирующего электронного микроскопа, и компьютерным моделированием с использованием методов молекулярной динамики и функционала плотности.

Авторы утверждают, что модифицированные мембраны отличаются эффективным переносом протонов и высокой селективностью, что позволяет использовать их в перспективных топливных элементах. В батареях, преобразующих химическую энергию в электрическую, используются специальные полимерные или керамические мембраны, которые разделяют электроды и служат для переноса протонов в элементах: в будущем их планируется заменить на мембраны из графена.