Grafeen is wellicht perfect als protondoorlatend scheidingsmembraan in brandstofcellen. Juist omdat het niet volmaakt is, melden Amerikaanse onderzoekers in Nature Communications.

De crux is volgens Franz Geiger (Northwestern University) en collega’s dat grafeen altijd wel wat atomaire defecten vertoont, dus plekken waar één of meer koolstofatomen ontbreken. Dat ligt dan aan foutjes tijdens de synthese, of desnoods aan een lokale voltreffer door kosmische straling.

De meeste van die gaten zijn te klein om een proton comfortabel door te laten. Maar zodra er vier C’s tegelijk ontbreken, als zich aan de omringende C’s OH-groepen hebben gehecht en als het grafeen ook nog wordt omringd door watermoleculen die waterstofbruggen vormen met die OH’s, dan gaat H⁺ er bij kamertemperatuur vrijwel moeiteloos doorheen. Computersimulaties suggereren dat de OH-groepen aan de ene kant van het grafeen dan het proton via het gat doorgeven aan hun collega’s aan de andere kant.

Uiteraard is het een zeer selectieve manier van lekken. Alle andere atoomkernen hebben een veel groter gat nodig om te kunnen passeren.

Zulke speciale atomaire defecten zijn zeer zeldzaam, maar ze treden vaak genoeg op om het bestaan te kunnen aantonen. De Amerikanen deden dat door een laagje grafeen aan te brengen op een silica-ondergrond, en vervolgens de pH van het omringende water te variëren. Er bleken dan protonen van het silica naar het water en weer terug te migreren.

Op sommige STEM-elektronenmicroscoopopnames van grafeen kun je trouwens ook vaagjes plekken onderscheiden waar de vertrouwde zeshoekjesstructuur lijkt te zijn verstoord.

Het verhaal sluit aan op de Nature-publicatie over protonendoorlatend grafeen waarmee Sir Andre Geim eind vorig jaar naar een tweede Nobelprijs hengelde. In zijn visie glipten de protonen gewoon door de zeshoekige gaten van perfect grafeen dat tussen twee Nafon-kunststofmembranen zat gesandwicht. Dat kan volgens de Amerikanen inderdaad ook, maar er is veel meer energie voor nodig en bij kamertemperatuur kun je het haast wel vergeten.

Achteraf vraag je je trouwens af of Geim niet óók van die zeldzame atomaire defecten heeft geprofiteerd zonder dat hij het in de gaten had.

bron: Penn State