Транспорт протонов через наноразмерные гофры в двух

Блог

ДомДом / Блог / Транспорт протонов через наноразмерные гофры в двух

Mar 03, 2024

Транспорт протонов через наноразмерные гофры в двух

Nature Volume 620, страницы 782–786 (2023) Цитировать эту статью 9286 Доступов 221 Подробности Altmetric Metrics Бездефектный графен непроницаем для всех атомов1,2,3,4,5 и ионов6,7 в условиях окружающей среды.

Nature, том 620, страницы 782–786 (2023 г.) Процитировать эту статью

9286 Доступов

221 Альтметрика

Подробности о метриках

Бездефектный графен непроницаем для всех атомов1,2,3,4,5 и ионов6,7 в условиях окружающей среды. Эксперименты, которые позволяют разрешить газовые потоки с потоками в несколько атомов в час через мембраны микрометрового размера, показали, что монокристаллический графен полностью непроницаем для гелия, самого маленького атома2,5. Также было показано, что такие мембраны непроницаемы для всех ионов, включая самый мелкий – лития6,7. Напротив, сообщалось, что графен обладает высокой проницаемостью для протонов, ядер атомов водорода8,9. Однако нет единого мнения ни о механизме неожиданно высокой протонной проницаемости10,11,12,13,14, ни даже о том, требуются ли для этого дефекты в кристаллической решетке графена6,8,15,16,17. Здесь, используя сканирующую электрохимическую клеточную микроскопию высокого разрешения, мы показываем, что, хотя проникновение протонов через механически расслоенные монослои графена и гексагонального нитрида бора не может быть объяснено какими-либо структурными дефектами, наномасштабная неплоскостность двумерных мембран значительно облегчает транспорт протонов. Пространственное распределение протонных токов, визуализируемое с помощью сканирующей электрохимической клеточной микроскопии, обнаруживает заметные неоднородности, которые тесно коррелируют с наноразмерными морщинами и другими особенностями, в которых накапливается напряжение. Наши результаты подчеркивают, что наноразмерная морфология является важным параметром, обеспечивающим транспорт протонов через двумерные кристаллы, которые в основном рассматриваются и моделируются как плоские, и указывают на то, что деформация и кривизна могут использоваться в качестве дополнительных степеней свободы для управления протонной проницаемостью двумерных материалов.

Измерения транспорта протонов через двумерные (2D) кристаллы показали, что эти кристаллы создают энергетический барьер для входящих протонов около 0,8 эВ и около 0,3 эВ для графена и гексагонального нитрида бора (hBN) соответственно8. Дополнительные эксперименты с более тяжелым изотопом водорода дейтерием показали, что начальная энергия прилетающих протонов не задается тепловыми возбуждениями (около 25 мэВ), а составляет около 0,2 эВ из-за нулевых колебаний протонов, связанных с атомами кислорода в протонпроводящих средах9. . Эта поправка повышает общие энергетические барьеры E, создаваемые кристаллами, примерно до 1,0 эВ и примерно 0,5 эВ для графена и hBN соответственно. Несмотря на эти открытия, механизм проникновения протонов через 2D-кристаллы остается спорным. Общий консенсус в расчетах теории функционала плотности заключается в том, что энергетические барьеры должны быть значительно больше14. Исследования (например, 10,11,13,14,18) дали довольно широкий диапазон E, но всегда превышающий значение около 1 эВ, найденное экспериментально. Разброс значений возникает из-за различных допущений, сделанных в моделях, например, идет ли процесс медленнее, чем время релаксации решетки14, протоны туннелируют квантово-механически11,12 или протоны локально гидрируют углеродную решетку (и, следовательно, локально расширяют ее) перед переносом13, 19. Эта неопределенность послужила причиной альтернативного объяснения, широко обсуждаемого в литературе, а именно, что проникновение протонов происходит через структурные дефекты в кристаллической решетке. Эта гипотеза основана на экспериментах с использованием графена, выращенного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD)15,16,17, который имеет границы зерен, поры и другие дефекты, которые появляются во время роста и переноса20,21,22. Эксперименты с использованием CVD-графена обычно сообщают об очень высоких скоростях проникновения протонов, а иногда даже о потере непроницаемости графена для других ионов16. Однако объяснение, предполагающее дефекты атомного масштаба как единственные центры, проводящие протоны, неприменимо к механически расслоенному графену. Действительно, просвечивающая и туннельная электронная микроскопия не смогла обнаружить каких-либо вакансий или других дефектов атомного масштаба при сканировании относительно больших площадей таких кристаллов. Что еще более важно, эксперименты по газопроницаемости, которые могут легко обнаружить дефект размером в один ангстрем, проницаемый для газов внутри мембран микрометрового размера1,2,4,5, не обнаружили ни одного дефекта в расслоенном графене и монослоях hBN6. Необходимы дополнительные экспериментальные данные, чтобы понять транспорт протонов через бездефектные 2D-кристаллы и разрешить существующие противоречия.

3 orders of magnitude higher (Extended Data Fig. 2)./p> 200 pA, which is an unmistakable indicator that the meniscus has fully wetted the sample (Extended Data Fig. 3b,d and Extended Data Fig. 3e,g for graphene and hBN, respectively). The d.c. current then drops to a steady state (step iv) during which the meniscus stabilizes. After the pre-programmed measurement period (500 ms of meniscus contact), the tip is retracted (step v (meniscus stretch) and step vi (meniscus detached)), with Idc first sharply increasing and then returning to the initial value. These steps were clearly visible throughout scanning of entire samples./p>