Grafeen houdt alle gassen tegen maar het laat protonen door. Mogelijk kun je het dus gebruiken als membraan in een brandstofcel, melden Sir Andre Geim en collega’s van de universiteit van Manchester op de website van Nature.

Een redactioneel commentaar in de Britse krant The Independent spreekt van een ontdekking die wel eens net zo belangrijk zou kunnen blijken als die van de kernsplijting.

De ontdekking is totaal onverwacht. Op plaatjes ziet enkellaags grafeen er uit als een gaasje met tamelijk grote gaten, maar in werkelijkheid hangt er een elektronenwolk omheen die zo dicht is dat zelfs H₂-moleculen of heliumkernen er bij kamertemperatuur niet doorheen komen. Berekeningen suggereren dat het zelfs een H-atoom (dus een proton mét een elektron) niet lukt, al is dat voor zover bekend nooit experimenteel bevestigd.

Maar een proton zónder elektron komt er verrassend gemakkelijk door, leren de jongste experimenten van Geims vakgroep. Ze klemden simpelweg velletjes grafeen tussen twee protondoorlatende Nafion-polymeermembranen. Een heel laag potentiaalverschil blijkt dan al voldoende om protonen door het grafeen te krijgen. En dat is zo vaak gereproduceerd met verschillende stukjes grafeen dat je wel kunt uitsluiten dat het aan structuurdefecten ligt.

Met boornitride, dat qua structuur sprekend op grafeen lijkt, lukt het eveneens. Bij kamertemperatuur gaan de protonen daar zelfs nog makkelijker doorheen. Tweedimensionaal molybdeendisulfide laat echter géén protonen door. Tweelaags grafeen ook niet maar twee- of drielaags boornitride wél, wat te maken heeft met de manier waarop de lagen op elkaar liggen.

Het zou kunnen betekenen dat je van grafeen of boornitride het ultieme protonuitwisselingsmembraan kunt maken voor zogeheten PEM-brandstofcellen. De membranen die daar tot nu toe in worden gebruikt, hebben zoveel beperkingen dat de PEM-cel vijftig jaar na zijn ontdekking nog altijd niet echt is doorgebroken.

Het is Geims promovendi zelfs al gelukt om met zo’n membraan spoortjes waterstof uit de buitenlucht te winnen. Via elektrolyse splits je de H₂ ter plekken in elektronen en protonen, die je door je grafeen heen zuigt. Of je zo ooit genoeg kunt winnen om een brandstofcel te voeden is de vraag, maar het idee verdient zeker nader onderzoek.

Nature spreekt van een ‘holey grail’ (sic) en beschouwt de ontdekking als zó belangrijk dat ze per direct openbaar is gemaakt, zonder de gebruikelijke embargoperiode. Al kan het ook zijn dat de universiteit daar de hand in heeft gehad.

bron: Nature, University of Manchester