(Phys.org) — I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno creato un "generatore di idrogeno" su piccola scala che utilizza la luce e una piattaforma di grafene bidimensionale per aumentare la produzione dell'elemento difficile da realizzare.

La ricerca ha anche svelato una proprietà precedentemente sconosciuta del grafene. La catena bidimensionale degli atomi di carbonio non solo dà e riceve elettroni, ma può anche trasferirli in un'altra sostanza.

L'idrogeno è praticamente ovunque sul pianeta, ma l'elemento è tipicamente legato ad altri elementi e deve essere separato dall'ossigeno in H2O per produrre idrogeno libero. Il processo di separazione commerciale utilizza il gas naturale per reagire con il vapore surriscaldato per eliminare gli atomi di idrogeno producendo combustibile a idrogeno, ma anche anidride carbonica, un sottoprodotto di gas serra che fuoriesce nell'atmosfera.

Il generatore in fase iniziale di Argonne, composto da tanti piccoli assemblaggi, è la prova che l'idrogeno può essere prodotto senza bruciare combustibili fossili. La scala è piccola, un po' più piccolo del diametro della seta di ragno. Ingrandire questa ricerca in futuro potrebbe significare che potresti sostituire il gas nelle tue auto e generatori con l'idrogeno, un'opzione più ecologica, perché bruciare idrogeno emette solo vapore acqueo.

"Molti ricercatori stanno cercando materiali inorganici per nuove fonti di energia, " ha detto Elena Rozhkova, chimico presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science (Office of Basic Energy Sciences) del DOE. "Il nostro obiettivo è imparare dal mondo naturale e utilizzare i suoi materiali come elementi costitutivi per l'innovazione".

Per Rozhkova, questo particolare elemento costitutivo si ispira alla funzione di un'antica proteina nota per trasformare la luce in energia. I ricercatori sanno da tempo che alcuni organismi unicellulari utilizzano una proteina chiamata batteriorodopsina (bR) per assorbire la luce solare e pompare protoni attraverso una membrana, creando una forma di energia chimica. Sanno anche che l'acqua può essere scissa in ossigeno e idrogeno combinando queste proteine ​​con biossido di titanio e platino e quindi esponendole alla luce ultravioletta.

C'è solo un aspetto negativo:il biossido di titanio reagisce solo in presenza di luce ultravioletta, che costituisce solo il 4% dello spettro solare totale. Se i ricercatori volessero alimentare i loro generatori con la luce solare, avrebbero bisogno di migliorare su questo.

Per produrre maggiori quantità di idrogeno utilizzando la luce visibile, i ricercatori hanno cercato un nuovo materiale. Il nuovo materiale avrebbe bisogno di una superficie sufficiente per spostare gli elettroni in modo rapido e uniforme e aumentare l'efficienza complessiva del trasferimento degli elettroni. I ricercatori avevano anche bisogno di una piattaforma su cui i componenti biologici, come bR, potrebbe sopravvivere e connettersi con il catalizzatore di biossido di titanio:in breve, un materiale come il grafene.

Il grafene è un super forte, super leggero, quasi foglio totalmente trasparente di atomi di carbonio e uno dei migliori conduttori di elettricità mai scoperti. Il grafene deve le sue straordinarie proprietà alla bidimensionalità.

"Il grafene non ha solo tutte queste straordinarie proprietà, ma è anche ultrasottile e biologicamente inerte, " ha detto Rozhkova. "La sua stessa presenza ha permesso agli altri componenti di autoassemblarsi attorno ad esso, che cambia totalmente il modo in cui gli elettroni si muovono in tutto il nostro sistema."

Il mini-generatore di idrogeno di Rozhkova funziona così:sia la proteina bR che la piattaforma di grafene assorbono la luce visibile. Gli elettroni di questa reazione vengono trasmessi al biossido di titanio su cui sono ancorati questi due materiali, rendendo il biossido di titanio sensibile alla luce visibile.

Contemporaneamente, la luce proveniente dall'estremità verde dello spettro solare fa scattare la proteina bR per iniziare a pompare protoni lungo la sua membrana. Questi protoni si dirigono verso le nanoparticelle di platino che si trovano sopra il biossido di titanio. L'idrogeno è prodotto dall'interazione dei protoni e degli elettroni mentre convergono sul platino.

Gli esami utilizzando una tecnica chiamata Electron Paramagnetic Resonance (EPR) e la spettroscopia risolta nel tempo presso il Center for Nanoscale Materials hanno verificato i movimenti degli elettroni all'interno del sistema, mentre gli studi elettrochimici hanno confermato che i protoni sono stati trasferiti. I test hanno anche rivelato una nuova stranezza nel comportamento del grafene.

"La maggior parte delle ricerche là fuori afferma che il grafene conduce e accetta principalmente elettroni, ", ha affermato il ricercatore postdottorato di Argonne Peng Wang. "La nostra esplorazione utilizzando l'EPR ci ha permesso di dimostrare, sperimentalmente, quel grafene inietta anche elettroni in altri materiali."

Il generatore di idrogeno di Rozhkova dimostra che la nanotecnologia, fusa con la biologia, possono creare nuove fonti di energia pulita. La scoperta del suo team potrebbe fornire ai futuri consumatori un'alternativa biologicamente ispirata alla benzina.

"Questi sono i tipi di scoperte che possiamo fare ad Argonne, " ha detto Rozhkova. "Lavorando nelle scienze energetiche di base, siamo stati in grado di dimostrare un'alternativa al gas ricca di energia e ispirata alla biologia".

Questa ricerca, "Percorsi di trasferimento di elettroni fotoindotti nel catalizzatore nano-bio ibrido potenziato con ossido di grafene ridotto in evoluzione dell'idrogeno, " apparso nel numero del 7 luglio di ACS Nano .