石墨烯對質子“網開一面”原因揭示

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科技日報記者?張佳欣

根據23日《自然》雜志報道，英國曼徹斯特大學和華威大學的研究人員解開了一個長期存在的謎題：為什么質子對石墨烯的滲透性比理論上預期的要高得多。

圖為石墨烯結構。圖片來源：英國曼徹斯特大學

10年前，科學家證明，此前被認為“密不可透”的石墨烯材料可被質子（氫原子核）穿過。這一出人意料的結果引發了一場爭論，因為理論預測，質子需要數十億年的時間才能滲透到石墨烯的密集晶體結構中。于是，科學家提出假設，即質子不是通過晶格本身滲透，而是通過其結構中的孔滲透的。

新研究得出了質子滲透石墨烯的超高空間分辨率測量結果，并證明了完美的石墨烯晶體對質子具有滲透性。出乎意料的是，質子在晶體的納米級皺紋和漣漪周圍的滲透顯著加速。

團隊使用了掃描電化學細胞顯微鏡技術來測量從納米級區域收集的微小質子電流，從而可視化穿過石墨烯薄膜的質子電流的空間分布。如果像一些科學家推測的那樣，質子通過孔傳輸，電流將集中在幾個單獨的地方。但他們沒有發現這種跡象，排除了石墨烯膜上孔的存在。

研究人員驚訝地發現，石墨烯晶體中完全沒有缺陷。其結果提供了微觀證據，證明石墨烯的晶格結構本身就對質子具有滲透性。而且，質子流在晶體中納米級的皺紋周圍加速。之所以會出現這種情況，是因為褶皺有效地拉伸了石墨烯晶格，從而為質子穿透原始晶格提供了更大的空間。這一觀察結果也使實驗和理論相一致。

這一發現有可能加速氫經濟的發展。目前用于生成和利用氫氣的昂貴催化劑和膜，有時會有明顯的碳足跡。未來，它們可被更可持續的2D晶體取代，從而減少碳排放，并通過產生“綠色氫氣”為凈零排放作出貢獻。

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