点击蓝字关注我们
无缺陷石墨烯在环境条件下对所有原子和离子都是不渗透的。能够解析每小时几个原子通过微米尺寸膜的气体流动的实验发现，单晶石墨烯对最小的原子氦气是完全不渗透的。这种膜也被证明对所有离子都是不渗透的，包括最小的锂离子。相比之下，十年前，曼彻斯特大学的科学家证明石墨烯可以渗透质子（氢原子核）。这一意想不到的结果在业界引发了一场争论，因为理论预测质子需要数十亿年才能渗透石墨烯的致密晶体结构，人们提出质子不是通过晶格本身渗透，而是通过其结构中的针孔渗透。然而，无论是关于出乎意料的高质子渗透率背后的机理，还是关于它是否需要石墨烯晶格中的缺陷，都没有达成共识。
近日，英国华威大学P. R. Unwin教授和曼彻斯特大学M. Lozada-Hidalgo教授、A. K. Geim教授（诺奖得主、石墨烯之父）课题组合作研究，利用高分辨扫描电化学池显微镜(SECCM)发现虽然通过机械剥离的单层石墨烯和六方氮化硼的质子渗透不能归因于任何结构缺陷，但二维膜的纳米波纹极大地促进了质子传输。相关论文以题为“ Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals ” 的论文发表在 Nature 上。第一作者为Oluwasegun Wahab，E. Daviddi 为共同一作。
本工作通过SECCM观察到的质子电流的空间分布显示出明显的不均匀性，这些不均匀性与纳米波纹和应变积累的其他特征密切相关。结果强调了纳米尺度的形貌是实现质子通过二维晶体传输的重要参数，大多被认为是平面的，并且表明应变和曲率可以作为额外的自由度来控制二维材料的质子渗透性。
图1. 通过2D晶体的质子电流的纳米级可视化
图2. 2D 晶体中质子传输的意外不均匀性
总之，实验表明，在其他无缺陷的二维晶体中，应变诱导的形态特征与周围质子传导性的增强有关。石墨烯皱皱就是一个明显的例子，它不需要任何晶格缺陷，却能产生高质子电流，这与 CVD 石墨烯中的晶界情况并无二致。他们的研究结果还表明，纳米级波纹在二维膜中普遍存在，而且已知会产生相当大的应变，它能加速名义上平坦区域内的质子传输。这一点非常重要，因为石墨烯通常被模拟为完全平坦的非应变晶体。由于二维膜中的应变和曲率通常可高达 10%，理论预测平直无应变石墨烯的 E0 可高达 1.5 eV，这似乎与实验报告的约 1.0 eV 的势垒相符。最后，可以利用应变和曲率来增强二维晶体的质子传导性，这对涉及质子传输的各种应用都很有意义。
作者简介
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
相关进展
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系：chem@chemshow.cn
扫二维码｜关注我们
微信号 : Chem-MSE
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程及生物医学工程等产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学会及时选用推送。