研究人員發現，石墨烯天然允許質子傳輸，尤其是在其納米級皺紋周圍。這一發現可為現有催化劑和薄膜提供可持續的替代品，從而徹底改變氫經濟。華威大學（University of Warwick）和曼徹斯特大學（University of Manchester）的科學家們終於解開了石墨烯對質子的滲透性遠超理論預期這一由來已久的謎題。

這一科學傳奇始於十年前，當時曼徹斯特大學的科學家證明了石墨烯對氫原子核質子的滲透性。

這一發現出乎意料，與理論預測相悖，理論預測認為質子需要數十億年才能穿過石墨烯緻密的晶體結構。由於這種差異，有一種理論認為質子可能是通過石墨烯結構中的小孔（或針孔）而不是晶格本身滲透的。石墨烯是以二維蜂巢晶格排列的單層碳原子。石墨烯以其卓越的強度、導電性和超薄性而聞名，是科學和技術領域最有前途的多功能材料之一。

最近，由Patrick Unwin 教授領導的華威大學和由Marcelo Lozada-Hidalgo 博士和Andre Geim 教授領導的曼徹斯特大學聯合在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果。通過超高空間分辨率測量，他們最終證明了完美的石墨烯晶體確實允許質子傳輸。令人驚訝的是，他們還發現質子在石墨烯晶體中存在的納米級皺紋和波紋周圍被強烈加速。

質子在二維晶體中傳輸的意外不均勻性。資料來源：《自然》/ DOI: 10.1038/s41586-023-06247-6

對氫經濟的影響

這一突破性發現對氫經濟具有重大意義。目前生成和使用氫氣的機制通常依賴於昂貴的催化劑和薄膜，其中一些對環境有顯著影響。用石墨烯等可持續二維晶體取代這些材料，可在推進綠色制氫、減少碳排放和幫助實現淨零碳環境方面發揮關鍵作用。

為了得出結論，研究人員採用了掃描電化學電池顯微鏡（SECCM）。這項技術使他們能夠測量納米級區域的微小質子電流，讓研究人員能夠直觀地看到質子電流通過石墨烯膜的空間分佈。

如果質子運動僅限於石墨烯上的孔，那麼電流就會被隔離在特定的點上。然而，並沒有觀察到這種集中的電流，從而推翻了關於石墨烯結構中存在孔洞的理論。

研究人員的評論和觀察

該研究的主要作者Segun Wahab 博士和Enrico Daviddi 博士對石墨烯晶體中沒有缺陷表示驚訝，他們說：”我們驚訝地發現石墨烯晶體中完全沒有缺陷。我們的研究結果從微觀上證明了石墨烯對質子具有內在的滲透性”。

意想不到的是，質子電流在晶體納米級皺紋周圍被加速。科學家們發現，這是因為皺紋有效地”拉伸”了石墨烯晶格，從而為質子滲透原始晶格提供了更大的空間。現在，這一觀察結果使實驗與理論相吻合。

洛薩達-伊達爾戈博士說：”我們實際上是在拉伸原子尺度的網格，並觀察到更大的電流通過網格中被拉伸的原子間空間–這確實令人匪夷所思”。

Unwin 教授評論道：”這些結果展示了我們實驗室開發的SECCM 是一種從微觀角度深入了解電化學界面的強大技術，它為設計涉及質子的下一代膜和分離器開闢了令人興奮的可能性。”

研究小組對這一發現如何為新型氫技術鋪平道路持樂觀態度。

Lozada-Hidalgo 博士說：”利用二維晶體中波紋和褶皺的催化活性是加速離子傳輸和化學反應的一種全新方法。這可能導致氫相關技術的低成本催化劑的開發。”