石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单层二维材料，其厚度只有一个原子层，相当于人类头发的百万分之一。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯，铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，比如其强度是钢的1000倍，重量只有纸的千分之一。在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

单原子层厚度的二维材料石墨烯因具有热导率高、电导率高、比表面积大、抗腐蚀性强等独特性质，在纳米电子学、 电化学、光催化及氢能 等领域获得了广泛关注 。

热质子可通过完美石墨烯直接传输，又激发了石墨烯在氢同位素分离 、燃料电池质子交换膜等领域的研究热潮 。

质子(H+)在石墨烯中的输运需要经历吸附、扩散、隧穿及脱附等过程，而吸附是后续各过程的基础 。 因此，质子(H+)吸附行为研究，对理解石墨烯中的氢行为具有很重要的意义。

近日，研究人员发现，石墨烯天然允许质子传输，尤其是在其纳米级皱纹周围。这一发现可为现有催化剂和薄膜提供可持续的替代品，从而彻底改变氢经济。华威大学（University of Warwick）和曼彻斯特大学（University of Manchester）的科学家们终于解开了石墨烯对质子的渗透性远超理论预期这一由来已久的谜题。

石墨烯对质子“网开一面”原因揭示

10年前，科学家证明，此前被认为“密不可透”的石墨烯材料可被质子（氢原子核）穿过。这一发现出乎意料，与理论预测相悖，理论预测认为质子需要数十亿年才能穿过石墨烯致密的晶体结构。由于这种差异，有一种理论认为质子可能是通过石墨烯结构中的小孔（或针 孔）而不是晶格本身渗透的。石墨烯是以二维蜂巢晶格排列的单层碳原子。石墨烯以其卓越的强度、导电性和超薄性而闻名，是科学和技术领域最有前途的多功能材料之一。

如今《自然》杂志报道了质子在石墨烯中传输的超高空间分辨率测量结果，证明完美的石墨烯晶体对质子具有渗透性。令人意想不到的是，质子在晶体的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。这项研究由 Patrick Unwin 教授领导的华威大学和 Marcelo Lozada-Hidalgo 博士及 Andre Geim 教授领导的曼彻斯特大学合作完成。

新研究得出了质子渗透石墨烯的超高空间分辨率测量结果，并证明了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纹和涟漪周围的渗透显著加速。

研究小组使用了一种称为扫描电化学细胞显微镜（SECCM）的技术来测量从纳米级区域收集到的微小质子电流。这样，研究人员就能直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子传输像一些科学家推测的那样是通过孔洞进行的，那么电流就会集中在几个孤立的点上。结果没有发现这样的孤立点，这就排除了石墨烯膜中存在孔洞的可能性。

研究人员惊讶地发现，石墨烯晶体中完全没有缺陷。其结果提供了微观证据，证明石墨烯的晶格结构本身就对质子具有渗透性。

意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。

研究人员的评论和观察

该研究的主要作者 Segun Wahab 博士和 Enrico Daviddi 博士对石墨烯晶体中没有缺陷表示惊讶，他们说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果从微观上证明了石墨烯对质子具有内在的渗透性"。

意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。

洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过网格中被拉伸的原子间空间--这确实令人匪夷所思"。

Unwin 教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的 SECCM 是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"

研究小组对这一发现如何为新型氢技术铺平道路持乐观态度。

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

对氢经济的影响

这一突破性发现对氢经济具有重大意义。目前生成和使用氢气的机制通常依赖于昂贵的催化剂和薄膜，其中一些对环境有显著影响。用石墨烯等可持续二维晶体取代这些材料，可在推进绿色制氢、减少碳排放和帮助实现净零碳环境方面发挥关键作用。

为了得出结论，研究人员采用了扫描电化学电池显微镜（SECCM）。这项技术使他们能够测量纳米级区域的微小质子电流，让研究人员能够直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。

如果质子运动仅限于石墨烯上的孔，那么电流就会被隔离在特定的点上。然而，并没有观察到这种集中的电流，从而推翻了关于石墨烯结构中存在孔洞的理论。

文章来源： 科技日报，cnBeta，慢纪硬核说