破解难题！石墨烯之父新发现又登 Nature!

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。

为何石墨烯对质子的渗透性比理论预期的要高得多？这一长期存在的难题终于得以解决。

华威大学Patrick Unwin教授、曼彻斯特大学Marcelo Lozada-Hidalgo教授和石墨烯之父Andre Geim教授合作，报告了质子输运的超高空间分辨率测量石墨烯并证明完美的石墨烯晶体可渗透质子。出乎意料的是，质子在晶体中的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。相关研究内容以“Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals”为题发表在《Nature》上。

通过高分辨率的扫描电化学细胞显微镜，研究人员发现，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，但二维膜的纳米级不平整极大促进了质子的传输。通过扫描电化学细胞显微镜可视化的质子电流的空间分布显示出明显的不均匀性，与纳米级褶皱和其他应力积累的特征密切相关。该研究强调了纳米级形态学作为促使质子通过二维晶体传输的重要参数，而二维晶体大多被视为平面晶体并被建模为平面晶体，还表明应变和曲率可以作为控制二维材料的质子渗透性的额外自由度。

这一发现有可能加速氢经济。目前用于产生和利用氢的昂贵的催化剂和膜，有时会产生巨大的环境足迹，可以用更可持续的二维晶体取代，从而减少碳排放，并通过产生绿色氢来实现净零排放。

图文导读

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。

总结

实验结果表明，虽然二维晶体通常无缺陷，但在其表面引入应变诱导的形态特征与增强的质子导电性有关。石墨烯褶皱就是一个明显的例子，它们不需要任何晶格缺陷，但会产生高质子电流，与CVD石墨烯中的晶界情况相似。该发现还表明，纳米级的波纹结构在二维膜中普遍存在，并且已知会产生相当大的应变，加速了在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无应变的晶体。由于二维膜中的应变和曲率通常可达到10%，因此预测平坦无应变石墨烯的E0可高达1.5电子伏特的理论似乎与报道约1.0电子伏特的实验障碍一致。最后，可以利用应变和曲率来增强二维晶体的质子导电性，这对于涉及质子传输的各种应用很有意义。

原文：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06247-6