研究人员揭示了石墨烯的本征质子渗透性，为氢经济和绿色氢制造提供了潜在推动力。

曼彻斯特大学和华威大学的研究人员解开了石墨烯对质子渗透性为何明显超过理论预期的长期疑问。

十年前，曼彻斯特大学的科学家们偶然发现，石墨烯对质子是可渗透的，即氢原子的原子核。这一意想不到的结果引发了科学界的争议，因为既定理论预测，质子要穿过石墨烯密集堆积的晶体结构将需要数十亿年的时间。因此，有人推测质子可能是通过石墨烯中存在的微小针孔而不是晶体格子进行穿越。

研究发现和影响

如今，《自然》杂志今日报道称，对石墨烯中质子传输的超高空间分辨率测量证明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褶和波纹周围被强烈加速。该研究是华威大学(University of Warwick)的帕特里克·安温教授领导的团队与曼彻斯特大学(The University of Manchester)的马塞洛·洛萨达-希达尔戈博士和安德烈·盖姆教授领导的团队之间的合作。

这一发现有潜力加速氢经济的发展。目前用于产生和利用氢的昂贵催化剂和膜可能会被更可持续的二维晶体取代，从而减少碳排放，并通过产生绿色氢为零排放做出贡献。

研究技术和评论

研究团队使用一种称为扫描电化学细胞显微术（SECCM）的技术，测量从纳米级区域收集到的微小质子电流。这使研究人员能够可视化石墨烯膜中质子电流的空间分布。如果一些科学家猜测的质子传输是通过孔洞进行的，那么电流将集中在几个孤立的点上。然而并没有找到这样的孤立点，这排除了石墨烯膜中存在孔洞的可能性。

论文的主要作者塞冈·瓦哈博士和恩里科·达维迪博士评论道：“我们对石墨烯晶体中没有任何缺陷感到意外。我们的研究结果为石墨烯本身渗透质子提供了微观证据。”

出人意料的是，在晶体中发现质子电流在纳米级皱褶周围被加速。科学家们发现，这是因为皱褶有效地“拉伸”了石墨烯晶格，从而为质子在原始晶体格子中渗透提供了更大的空间。这一观察结果使实验和理论能够相互符合。

洛萨达-希达尔戈博士表示：“我们实际上是拉伸了一个原子尺度的网格，并观察到了通过这个网格中被拉伸的原子间隙传输的更大电流——令人难以置信。”

安温教授评论道：“这些结果展示了我们实验室开发的SECCM作为获得对电化学界面的微观见解的强大技术，这为设计下一代膜和隔离器，涉及质子的部分，提供了令人兴奋的可能性。”

展望未来

研究人员对这一发现在推动新的基于氢的技术方面的潜力感到兴奋。

洛萨达-希达尔戈博士表示：“利用二维晶体中皱褶的催化活性是加速离子传输和化学反应的基本全新方式。这可能导致开发出用于氢相关技术的低成本催化剂。”