Фізики з США на підставі теоретичних розрахунків показали, що після створення на графані одномірної «доріжки» з гідроксильних груп, така система може транспортувати вздовж доріжок протони, не пропускаючи при цьому електрони. На відміну від інших систем з тим же призначенням, графанові протонні мембрани в процесі транспорту протонів не потребують води, а значить можуть працювати при більш високих температурах. Це забезпечує кращу хімічну активність електродів, ефективність тепловідведення і робить систему менш чутливою до чистоти палива. Відповідна стаття опублікована в журналі.
Через велику кількість шкідливих викидів, людство намагається знайти альтернативу двигунам внутрішнього згоряння, що використовують у своїй роботі бензин та інші продукти, створені на основі нафти. Один з варіантів - водень. З екологічної точки зору водневі паливні елементи виглядають привабливо через те, що на виході вони дають тільки воду.
Принципова схема водневого паливного елемента зображена на малюнку. Водень надходить на анод і втрачає електрон (нагадаємо, водень складається з протона і електрону). Потім новоутворені протони мігрують на катод через мембрану, де вони з'єднуються з киснем і електронами, утворюючи воду. Різниця потенціалів між анодом і катодом, викликана різною хімічною енергією зв'язку у вихідних газах і воді забезпечує перетворення енергії хімічних зв'язків в електричну. Ефективність влаштованих таким чином сучасних водневих паливних елементів становить 40-60 відсотків.
Графан - це почесний матеріал, який створюється з графену за допомогою приєднання атомів водню. У графані з кожним атомом вуглецю пов'язаний атом водню, причому ці атоми утворюють дві площини, паралельних початковому шару графена. У своїй роботі автори за допомогою моделювання показали, що якщо в графані створити ланцюжок гідроксильних груп (нагадаємо, гідроксильна група - це сполука кисню і водню з одним валентним електроном), то по такому ланцюжку зможуть «стрибати» протони. Розташувавши аркуш графана таким чином, що один кінець аркуша з'єднаний з анодом, а другий - з катодом, можна отримати протонну мембрану, що не пропускає електрони.
У своїй роботі вчені досліджували різні аспекти явища протонної провідності за допомогою різних методик моделювання. Так, щоб детально розібратися в тому, як саме протон рухається по гідроксильній доріжці, вони створили 2 моделі, одну з чотирма гідроксильними групами, другу з сімома. Схематичне представлення руху протона в частині графанової площини з чотирма ОН-групами можна бачити на картинці. У процесі транспортування водень в ОН-групах обертається навколо осі, перпендикулярної листу графану, передаючи протон між ОН-групами.
Результати моделювання показали, що відстані між шарами графану в 20 ангстрем достатньо, щоб вони не взаємодіяли один з одним. Крім того, через відмову від води, хімічні реакції на катоді протікають швидше. Це особливо важливо через те, що поки один протон на кінці ланцюжка «чекає» свою молекулу кисню, вся «черга» не може через нього перестрибнути, а значить рух протонів по доріжці гальмується. Також вчені відзначають, що графан менш схильний до деформацій, ніж раніше запропоновані безводні протонні мембрани. Це позитивно позначається на швидкості транспортування протонів від між анодом і катодом, що в свою чергу збільшує потужність паливного елемента. Також вони пророкують, що безводні фільтри, які працюють при більш високих температурах, будуть не такі чутливі до чистоти водню.
У майбутньому вчені планують експериментально дослідити графанові протонні мембрани, а також розглянути почесну систему з гідроксильних груп.