Proton glipt door grafeen, ondanks verbod

Volgens de theorie kan het niet, maar de protonenzeef van grafeen bestaat en maakt betere brandstofcellen mogelijk.

Grafeen, het platte koolstofmolecuul met de structuur van kippengaas, laat protonen door, net als het verwante boornitride. Toepassing van de ontdekking kan het gebruik van waterstof als brandstof in brandstofcellen vergemakkelijken.

De protondoorlaatbaarheid is verrassend, want grafeen en vergelijkbare materialen die slechts één atoom dik zijn stonden bekend om hun ondoordringbaarheid, zelfs voor de allerkleinste atomen als helium. Maar protonen, positief geladen waterstofatomen die hun omringende elektron verloren zijn, zijn blijkbaar net klein genoeg om door de mazen te glippen.

De ontdekking is gedaan door Andre Geim van de Universiteit van Manchester en collega’s, waaronder Mikhail Katsnelson van de Nijmeegse Radboud Universiteit. Hun publicatie staat in een woensdag online gepubliceerd artikel van Nature. Geim, Nederlander en Brit van Russische afkomst, kreeg in 2010 de Nobelprijs voor de ontdekking van grafeen.

De theorie zei dat protonen niet door grafeen heen kunnen. „Onwetendheid is soms helemaal zo slecht niet”, zegt Andre Geim aan de telefoon op de vraag waarom hij de experimenten toch heeft gedaan. „Daarom besteden we ook weer niet zó veel tijd aan het lezen van de theorie”.

De natuurkundigen namen micrometer grote, zeer zuivere grafeenvlokken, en monteerden die tussen polymeren die wel protonen geleiden, maar elektronen blokkeren. Deze lagenstructuur geleidt elektrische stroom uitstekend. Dat betekent dat protonen niet alleen door de polymeren, maar ook door het grafeen heenstromen. „Hiermee komen allerlei nieuwe toepassingen in zicht”, zei co-auteur Marcelo Lozada-Hidalgo, afgelopen woensdag tijdens een door Nature belegde telefonische persconferentie.

Zo zijn grafeen en verwante materialen nu ineens kandidaten voor het membraan-materiaal in brandstofcellen. In Proton Exchance Membrane-(PEM) brandstofcellen scheidt een dun membraan de brandstof van de zuurstof waarmee het reageert. Maar protonen moeten wel door dat membraan kunnen stromen, anders kan de brandstofcel geen stroom leveren.

In bestaande PEM-brandstofcellen zitten plastic membranen, maar die moeten nat gehouden worden, waardoor ze niet werken boven 100 graden Celsius, terwijl brandstofcellen juist bij hogere temperaturen efficiënter worden. Grafeen blijft stabiel tot 400 graden Celsius, boornitride zelfs tot 700 graden.

Een futuristischer toepassing, oppert Geim, zou het winnen van waterstof uit de atmosfeer kunnen zijn. Waterstof komt in een extreem lage concentratie van 0,5 ppm (parts per million) voor in de lucht. Maar met een grafeenmembraan onder een elektrische spanning zou je die paar moleculen toch uit de lucht kunnen zeven.

„De waterstofmoleculen splitsen bij het membraan in losse protonen, de elektrische spanning trekt ze door het membraan, waarna ze weer samenkomen, en zich ophopen aan de andere kant”, zo beschrijft Geim een tweede experiment.

Waaróm het grafeen zo goed protonen doorlaat, is nog niet helemaal duidelijk. „Blijkbaar hebben we in de theorie toch aannames gemaakt die niet kloppen”, is alles wat Geim erover kan of wil zeggen. Dat wordt dus toch weer de theorie induiken.