石墨烯对质子“网开一面”原因揭示

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图为石墨烯结构。

图片来源：曼彻斯特大学

科技日报北京8月23日电 （记者张佳欣）根据23日《自然》杂志报道，英国曼彻斯特大学和华威大学的研究人员解开了一个长期存在的谜题：为什么质子对石墨烯的渗透性比理论上预期的要高得多。

10年前，科学家证明，此前被认为“密不可透”的石墨烯材料可被质子（氢原子核）穿过。这一出人意料的结果引发了一场争论，因为理论预测，质子需要数十亿年的时间才能渗透到石墨烯的密集晶体结构中。于是，科学家提出假设，即质子不是通过晶格本身渗透，而是通过其结构中的孔渗透的。

新研究得出了质子渗透石墨烯的超高空间分辨率测量结果，并证明了完美的石墨烯晶体对质子具有渗透性。出乎意料的是，质子在晶体的纳米级皱纹和涟漪周围的渗透显著加速。

团队使用了扫描电化学细胞显微镜技术来测量从纳米级区域收集的微小质子电流，从而可视化穿过石墨烯薄膜的质子电流的空间分布。如果像一些科学家推测的那样，质子通过孔传输，电流将集中在几个单独的地方。但他们没有发现这种迹象，排除了石墨烯膜上孔的存在。

研究人员惊讶地发现，石墨烯晶体中完全没有缺陷。其结果提供了微观证据，证明石墨烯的晶格结构本身就对质子具有渗透性。而且，质子流在晶体中纳米级的皱纹周围加速。之所以会出现这种情况，是因为褶皱有效地拉伸了石墨烯晶格，从而为质子穿透原始晶格提供了更大的空间。这一观察结果也使实验和理论相一致。

这一发现有可能加速氢经济的发展。目前用于生成和利用氢气的昂贵催化剂和膜，有时会有明显的碳足迹。未来，它们可被更可持续的2D晶体取代，从而减少碳排放，并通过产生“绿色氢气”为净零排放作出贡献。