Neue in Nature veröffentlichte Forschungsergebnisse zeigen, wie elektrische Feldeffekte gekoppelte elektrochemische Prozesse in Graphen selektiv beschleunigen können. Die Autoren vom National Graphene Institute der Universität Manchester glauben, dass diese Entdeckung die Nutzung von Energie und Informationsverarbeitung revolutionieren könnte. Elektrochemische Prozesse sind in erneuerbaren Energietechnologien wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren von wesentlicher Bedeutung. Allerdings wird seine Wirksamkeit oft durch langsame Reaktionen und unerwünschte Nebenwirkungen beeinträchtigt. Traditionelle Ansätze haben sich auf neue Materialien konzentriert, es bleiben jedoch erhebliche Herausforderungen bestehen. Das Manchester-Team unter der Leitung von Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo hat einen neuartigen Ansatz gewählt. Sie haben die untrennbare Verbindung zwischen Ladung und elektrischem Feld in Graphen-Elektroden erfolgreich entkoppelt und so eine beispiellose Kontrolle über elektrochemische Prozesse in diesem Material ermöglicht. Der Durchbruch stellt bisherige Annahmen in Frage und eröffnet neue Wege für Energietechnologien. Dr. Lozada-Hidalgo betrachtet diese Entdeckung als transformativ und sagte in einer Erklärung: „Wir haben es geschafft, einen Parameterraum zu öffnen, der zuvor unzugänglich war. Eine Möglichkeit, dies zu visualisieren, besteht darin, sich ein Feld auf dem Land mit Hügeln und Tälern vorzustellen.“ Klassischerweise würde ein elektrochemischer Prozess für ein gegebenes System und einen gegebenen Katalysator auf einem etablierten Weg durch dieses Feld verlaufen: „Wenn der Weg über einen hohen Hügel oder ein tiefes Tal führt, hat man Pech.“ Unsere Arbeit zeigt, dass wir zumindest für die hier untersuchten Prozesse Zugriff auf das gesamte Feld haben. „Wenn es einen Hügel oder ein Tal gibt, zu dem wir nicht gehen wollen, können wir es meiden.“ Die Studie konzentriert sich auf protonenbezogene Prozesse, die für Wasserstoffkatalysatoren und elektronische Geräte von entscheidender Bedeutung sind. Konkret untersuchte das Team zwei Protonen in Graphen : – Protonenübertragung: Dieser Prozess ist wichtig für die Entwicklung neuer Wasserstoffkatalysatoren und Brennstoffzellenmembranen. – Protonenadsorption (Hydrierung): Wichtig für elektronische Geräte wie Transistoren. Dieser Prozess schaltet die Leitfähigkeit von Graphen ein und aus in Graphen-Geräten, was es schwierig macht, einen dieser Prozesse zu steuern, ohne den anderen zu beeinflussen, und fanden heraus, dass elektrische Feldeffekte die Protonenübertragung während des Fahrens erheblich beschleunigen können und eine neue Methode darstellen treiben elektrochemische Prozesse an. Dr. Jincheng Tong, Erstautor des Papiers, hob die umfassenderen Auswirkungen auf Energieanwendungen hervor und sagte: „Wir zeigen, dass elektrische Feldeffekte elektrochemische Prozesse in 2D-Kristallen entschlüsseln und beschleunigen können. Dies könnte mit Katalysatoren der nächsten Generation kombiniert werden, um komplexe Prozesse effizient anzutreiben.“ Prozesse wie die CO2-Reduktion, die nach wie vor enorme gesellschaftliche Herausforderungen darstellen. Dr. Yangming Fu, Co-Senior-Autor, wies auf mögliche Anwendungen in der Informatik hin und sagte: „Die Steuerung dieser Prozesse verleiht unseren Graphen-Geräten eine doppelte Funktionalität als Speicher und Logikgatter. Dies ebnet den Weg für neue Computernetzwerke, die mit Protonen arbeiten.“ Dies könnte kompakte analoge Computergeräte mit geringem Stromverbrauch ermöglichen.
