Pesquisadores do Instituto Nacional de Grafeno fizeram uma descoberta inovadora que pode revolucionar o aproveitamento de energia e a computação de informações. Seu estudo, publicado em Natureza revela como os efeitos do campo elétrico podem acelerar seletivamente processos eletroquímicos acoplados no grafeno.
Os processos eletroquímicos são essenciais em tecnologias de energia renovável, como baterias, células de combustível e eletrolisadores. No entanto, a sua eficiência é muitas vezes prejudicada por reações lentas e efeitos secundários indesejados. As abordagens tradicionais concentraram-se em novos materiais, mas ainda permanecem desafios significativos.
A equipe de Manchester, liderada pelo Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo, adotou uma abordagem inovadora. Eles dissociaram com sucesso a ligação inseparável entre carga e campo elétrico dentro dos eletrodos de grafeno, permitindo um controle sem precedentes sobre os processos eletroquímicos neste material. A descoberta desafia pressupostos anteriores e abre novos caminhos para as tecnologias energéticas.
O Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo vê esta descoberta como transformadora: “Conseguimos abrir um espaço de parâmetros anteriormente inacessível. Uma forma de visualizar isso é imaginar um campo no campo com colinas e vales. Classicamente, para um determinado sistema e um determinado catalisador, um processo eletroquímico percorreria um caminho definido através deste campo. Se o caminho passar por uma colina alta ou por um vale profundo – azar Nosso trabalho mostra que, pelo menos para os processos que investigamos aqui, temos acesso. para todo o campo. Se houver uma colina ou vale para onde não queremos ir, podemos evitá-lo.”
O estudo concentra-se em processos relacionados a prótons, fundamentais para catalisadores de hidrogênio e dispositivos eletrônicos. Especificamente, a equipe examinou dois processos de prótons no grafeno:
Transmissão de prótons: Este processo é importante para o desenvolvimento de novos catalisadores de hidrogênio e membranas de células de combustível.
Adsorção de prótons (hidrogenação): Importante para dispositivos eletrônicos como transistores, esse processo liga e desliga a condutividade do grafeno.
Tradicionalmente, esses processos eram acoplados em dispositivos de grafeno, tornando difícil controlar um sem impactar o outro. Os pesquisadores conseguiram dissociar esses processos, descobrindo que os efeitos do campo elétrico poderiam acelerar significativamente a transmissão de prótons, ao mesmo tempo que conduziam a hidrogenação de forma independente. Esta aceleração seletiva foi inesperada e apresenta um novo método para conduzir processos eletroquímicos.
Destacando a implicação mais ampla nas aplicações de energia, o Dr. Jincheng Tong, primeiro autor do artigo, disse: “Demonstramos que os efeitos do campo elétrico podem desembaraçar e acelerar processos eletroquímicos em cristais 2D. Isso poderia ser combinado com catalisadores de última geração para conduzir de forma eficiente processos complexos como a redução de CO2, que continuam a ser enormes desafios sociais.”
Dr. Yangming Fu, co-autor, apontou para aplicações potenciais em computação: “O controle desses processos dá aos nossos dispositivos de grafeno dupla funcionalidade como memória e porta lógica. Isso abre caminho para novas redes de computação que operam com prótons. Isso poderia permitir dispositivos de computação analógicos compactos e de baixo consumo de energia.”
O Instituto Nacional do Grafeno (NGI) é um centro líder mundial em grafeno e materiais 2D, focado em pesquisa fundamental. Com sede na Universidade de Manchester, onde o grafeno foi isolado pela primeira vez em 2004 pelos professores Sir Andre Geim e Sir Kostya Novoselov, é o lar de líderes na sua área – uma comunidade de especialistas em investigação que proporcionam descobertas transformadoras. Essa experiência é acompanhada por instalações de ponta no valor de £ 13 milhões, como as maiores salas limpas de classe 5 e 6 no mundo acadêmico global, o que dá à NGI as capacidades para avançar em aplicações industriais de apoio em áreas-chave, incluindo: compósitos, membranas funcionais, energia, membranas para hidrogênio verde, materiais 2D de ultra-alto vácuo, nanomedicina, eletrônica impressa baseada em 2D e caracterização.