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石墨烯气体通透极限的最新研究成果

3月11日,Nature(《自然》)在线发表了物理科学与技术学院袁声军教授与国内外研究团队关于石墨烯气体通透极限的最新研究成果。

论文题为“Limits on gas impermeability of graphene”,袁声军和曼切斯特大学教授、诺奖得主安德烈·海姆(Prof. SirAndre Geim)为共同通讯作者。

以单层石墨烯为代表的二维材料,虽然只有一个原子层的厚度,却被认为不具有气体和液体透过性。理论计算表明,无缺陷的单层石墨烯对气体分子的透过性具有非常高的能垒,在常规条件下任何气体都不能透过。如在室温下,一个分子想要透过一张没有缺陷的石墨烯薄膜,理论计算表明其花费的时间将比宇宙的历史还要漫长。那么,无缺陷的石墨烯对气体到底是不是真的不可透过?其极限到底是多少?

安德烈·海姆领衔的实验团队和袁声军的理论团队合作,通过实验与理论计算证实了无缺陷石墨烯的不可透过性,拓展了不可透过性的极限,并揭示了氢气在石墨烯中的异常透过性机理。研究使用无缺陷单层石墨烯密封的小型单晶容器为实验装置,发现石墨烯对多数气体确实具有不可透过性,其检测精度比之前的实验提高了8-9个数量级。在这样超高的检出条件下可探测每小时只有几个氦原子的通量。并且对几乎所有其他气体(氖气,氮气,氧气,氩气,和氙气),这一行为均表现一致,只有氢气除外。

理论上氢分子比氦分子大,直接透过将经历更高的势垒,但是氢气却表现出更加明显的透过性。对于这一反常的实验现象,袁声军教授团队通过对大量不同构型的石墨烯结构进行理论计算,找到了这一异常结果的主要机理:一是石墨烯上如波纹状的自发起伏具有催化活性,可大大降低氢气分子裂解吸附的活化能。这种自发起伏随着温度的升高而增大增多,氢分子裂解活化能可最低降至1电子伏以下;二是被吸附的氢原子以较低能量翻转到石墨烯薄膜的另一侧,接近质子传递所需要的能量。

这项研究为二维材料的气体通透极限提供了重要的实验数据和理论解释,也为石墨烯的研究指明了新的方向。这样的基础研究,往往都将开辟一个全新的领域。

这项工作的共同作者还包括袁声军团队的博士生熊文奇(武汉大学物理科学与技术学院)和博士后于进(荷兰奈梅亨大学)。该工作得到了国家重点研发计划(2018YFA0305800)和武汉大学超级计算中心的支持。

 

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