令人惊讶的是，石墨烯可以帮助廉价且可持续地生产氢气

研究人员发现了这一点 石墨烯 它自然地允许质子传输，尤其是在它周围 纳米级 皱纹。 这一发现可以为现有催化剂和膜提供可持续的替代品，从而彻底改变氢经济。

科学家们来自 华威大学 曼彻斯特大学终于解开了长期以来的谜团，即为什么石墨烯对质子的渗透性比理论上预期的要高。

故事开始于十年前，当时曼彻斯特大学的科学家证明石墨烯可以渗透质子（氢原子的原子核）。

这一结果出乎意料，并且与理论预测相矛盾，即质子穿过石墨烯致密的晶体结构需要数十亿年的时间。 由于这种不对称性，有一种理论认为质子可能会渗透通过石墨烯结构中的一个或多个微小孔，而不是通过晶格本身。

在该杂志最近发表的一篇文章中 自然由 Patrick Unwin 教授领导的华威大学与 Marcelo Lozada Hidalgo 博士和 Andre Gem 教授领导的曼彻斯特大学联合开展的研究发表了他们的研究结果。 通过高空间分辨率测量，他们最终证明完美的石墨烯晶体确实允许质子传输。 令人惊讶的是，他们还发现质子在石墨烯晶体中的纳米级皱纹和波纹周围强烈加速。

二维晶体中质子传输的意外异质性。 信用： 自然 / doi：10.1038/s41586-023-06247-6

对氢经济的影响

这一开创性的发现对氢经济具有重要意义。 目前的氢气产生和利用机制通常依赖于昂贵的催化剂和膜，其中一些具有显着的环境影响。 用石墨烯等可持续的二维晶体取代它可以在促进绿色氢生产方面发挥关键作用，从而减少碳排放并帮助向碳中和环境过渡。

为了得出结论，研究人员使用了扫描电化学细胞显微镜（SECCM）。 这项技术使他们能够测量纳米尺寸区域中的小质子电流，使研究人员能够可视化质子电流在石墨烯膜上的空间分布。

如果质子的运动被限制在石墨烯的孔内，电流就可以在特定区域被隔离。 然而，尚未观察到这种集中电流，从而揭穿了石墨烯结构中存在空穴的理论。

什么是石墨烯？

石墨烯是排列成二维蜂窝晶格的单层碳原子。 它以其卓越的强度、导电性和薄度而闻名，使其成为科学技术领域最有前途和用途广泛的材料之一。

研究人员的评论和笔记

该研究的主要作者 Segun Wahab 博士和 Enrico Davide 博士对石墨烯晶体中没有缺陷表示惊讶，他们说：“我们很惊讶地发现石墨烯晶体中根本没有缺陷。 我们的结果提供了微观证据，表明石墨烯本质上是质子可渗透的。

出乎意料的是，质子流被发现在晶体纳米级皱纹周围加速。 科学家发现，这是因为皱纹有效地“拉伸”石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更多空间。 这一观察现在使实验与理论相一致。

洛扎达·伊达尔戈博士说：“我们正在原子尺度上有效地拉伸网格，并且我们正在观察到通过该网格中扩展的原子间空间的更高电流 – 这确实令人难以置信。”

Unwin 教授评论道：“这些结果展示了我们实验室开发的 SECCM 作为一种强大的技术，可以获取电化学界面的微观洞察，为设计下一代包含质子的膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。”

该团队对这一发现为新的氢技术铺平道路感到乐观。

Lozada Hidalgo 博士说：“利用二维晶体中波纹和皱纹的催化活性是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能会导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。”

参考文献：“二维晶体中纳米级波纹的质子传输”作者：OJ Wahab、E. Daviddi、B. Xin、PZ Sun、E. Griffin、AW Colburn、D. Barry、M. Yagmurcukardes、FM Peeters、AK Geim、 M Lozada-Hidalgo 和 BR Unwin，2023 年 8 月 23 日，可在此处获取。 自然。
号码：10.1038/s41586-023-06247-6