石墨烯的不渗透性如何?

 
该可视化显示了用于膜的石墨烯层。图片来源：曼彻斯特大学曼彻斯特大学研究人员的新实验为石墨烯和其他二维材料对气体和液体的不渗透性设定了最佳极限。这项工作还表明，碳薄板可以用作氢裂解的有力催化剂，这一发现有望在未来提供廉价而丰富的催化剂。
从理论上讲，石墨烯具有很高的能量，可以穿透原子和分子，从而可以防止任何气体和液体在室温下通过。确实，据安德烈·吉姆爵士(Sir Andre Geim)教授领导的研究人员说，据估计，找到足以在环境条件下刺穿任何现实大小的无缺陷单层石墨烯的高能原子，将比宇宙的寿命更长。十年前进行的实际实验支持了这一假设，该实验发现，单原子厚的石墨烯比几微米厚的石英膜对氦原子的渗透性低。尽管该膜比石墨烯厚100,000，但仍与理论极限相差甚远。
完全密封的容器
曼彻斯特小组开发了一种测量技术，该技术对渗透气体原子的敏感性比任何已知方法高十亿倍。在《自然》杂志上发表的研究中，他们首先在石墨或氮化硼的单晶中钻了微米级的孔，然后用单原子厚的石墨烯膜覆盖。由于这些容器的顶表面是原子平面的，因此盖子可提供完美的气密密封。原子和分子进入容器的唯一途径是通过石墨烯膜。膜本身是柔性的，可对容器内部压力的微小变化做出响应。
然后研究人员将容器放入氦气中。如果原子进入或离开容器，内部的气压将分别增加或减少，并使盖子的表面隆起一些小距离。该团队使用原子力显微镜以埃精确度监控了这些运动。
“新的结果支持了(以前的文献中的一些)关于石墨烯出乎意料的高催化活性的报道(并为之提供了解释)，由于其本体母体石墨的极度惰性，这特别违反直觉。” 。
就像“一公里厚的玻璃墙”
根据膜位置的变化，可以精确计算出穿过石墨烯的原子或分子的数量。研究人员发现，每小时不超过几个氦原子(如果有的话)进入或离开其容器。 “这种敏感性比以前的石墨烯不渗透性实验高出八到九个数量级，而石墨烯的不渗透性本身比现代氦检漏仪的检出限要高几个数量级。原子厚的碳比一千米厚的玻璃壁对气体的渗透性低。” Geim解释说。
氦气是所有气体中最渗透的气体，这是因为氦气中的弱相互作用原子很小。尽管如此，研究人员还是决定对其他气体，例如氖气，氮气，氧气，氩气，k气，氙气和氢气进行重复实验。除了氢以外，所有这些都没有显示出与氦相同的渗透率。与所有其他材料相比，它通过无缺陷的石墨烯渗透得相对较快。 《自然》杂志的第一作者孙鹏战博士评论说：“这是一个令人震惊的结果：氢分子比氦原子大得多。如果氦原子不能通过，那么大分子在地球上会怎样。”
弯曲石墨烯用于氢解离
该团队将意外的氢渗透归因于石墨烯膜并非完全平坦但具有许多纳米级波纹的事实。那些充当催化活性区域，并将吸收的分子氢分解成两个氢原子，这种反应通常极为不利。与理论一致，石墨烯的波纹有利于氢的分裂。然后，被吸附的氢原子可以相对容易地翻转到石墨烯膜的另一侧，类似于质子穿过无缺陷的石墨烯的渗透。质子是亚原子粒子，质子小得足以挤过石墨烯的致密晶格，因此后一种过程以前是已知的，并可以解释。
盖姆说：“新的结果支持了以前有关石墨烯出乎意料的高催化活性的文献报道(并提供了解释)，由于其大体积母体石墨的极高惰性，这特别违反直觉。”
Sun博士说：“我们的工作为理解为什么石墨烯可以起到催化剂的作用提供了基础，这将激发将来在此类应用中使用这种材料的进一步研究。” “从某种意义上说，石墨烯纳米波纹的行为就像铂粒子一样，众所周知，铂粒子会分裂分子氢。但没人能从看似惰性的石墨烯中预期到这一点。”