Los científicos han descubierto que pueden separar las moléculas de agua entre sí usando electrodos de grafeno

Escritura Comunicaciones de la naturalezaequipo dirigido por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y con sede en Instituto Nacional del Grafeno (NGI) El grafeno se utiliza como electrodo para medir tanto la fuerza eléctrica aplicada a las moléculas de agua como la velocidad a la que se rompen en respuesta a esta fuerza. Los investigadores encontraron que el agua explota más rápido en respuesta a fuerzas eléctricas más fuertes.

marcelo lozada hidalgoLos investigadores creen que esta comprensión básica del agua interfacial se puede utilizar para diseñar mejores catalizadores para la generación de combustible de hidrógeno a partir del agua. Esta es una parte importante de la estrategia del Reino Unido para lograr una economía neta cero. “Esperamos que las ideas de este trabajo sean útiles para diferentes sociedades, incluidas la física, la catálisis y la interciencia, y ayuden a diseñar mejores catalizadores para la producción de hidrógeno verde”, dijo el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo.

Una molécula de agua consta de un protón y un ion hidróxido. Su separación implica separar estos dos componentes por una fuerza eléctrica. En principio, cuanto más fuerte se tira de una molécula de agua, más rápido debería romperse. Este punto importante no ha sido demostrado cuantitativamente en experimentos.

Es bien sabido que las fuerzas eléctricas rompen las moléculas de agua, pero las fuerzas más fuertes no siempre hacen que el agua se desintegre más rápido, lo que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. La principal diferencia con los electrodos de grafeno es que solo son permeables a los protones. Los investigadores descubrieron que esto permite que el protón se separe del ion hidróxido a través del grafeno, una barrera de un átomo de espesor que evita la recombinación. Esta separación de carga es necesaria para monitorear la aceleración del campo eléctrico de la disociación del agua. Otra gran ventaja del grafeno es que permite evaluar experimentalmente el campo eléctrico en la interfaz grafeno-agua, lo que permite la caracterización cuantitativa del efecto de campo.

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junhao kaiLos resultados pueden explicarse utilizando la teoría clásica de Onsager, que se ha mantenido empíricamente incierta en el importante caso del agua. Junhao Cai, estudiante de doctorado y coprimer autor del trabajo, dijo: «Nos sorprendió la relevancia de la teoría de Onsager para nuestros datos. Esta teoría proporciona información sobre las aguas interfaciales, incluida una estimación independiente de su constante dieléctrica, que sigue siendo poco entendido.”

owen grifoLos autores están entusiasmados con las posibilidades que ofrece la configuración experimental. Eoin Griffin, estudiante de doctorado y coautor del trabajo, dijo: “Los electrodos de grafeno combinan tres propiedades que, hasta donde sabemos, no se han encontrado juntas en un solo sistema: solo los protones impregnan el cristal, es un de un solo átomo de espesor y puede soportar fuerzas eléctricas muy fuertes. Esta combinación esencialmente separa la primera capa de moléculas de agua en la superficie del grafeno».

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