石墨烯的质子渗透性：未来能源技术的开关

在分子尺度上了解电极-电解质界面中电子和离子传输特性之间的联系，可以制定新的策略来加速许多可再生能源技术的核心过程，包括氢气的产生和利用。”

马塞洛·洛萨达-伊达尔戈博士

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员发现了一种利用光加速石墨烯质子传输的方法，这可能会彻底改变我们产生氢气的方式。

质子传输是许多可再生能源技术的关键步骤，例如氢燃料电池和太阳能水分解，曼彻斯特科学家之前也证明它对质子具有渗透性。

发表在《自然通讯》上的一项新研究表明，光可以用来加速质子在石墨烯中的传输。石墨烯是单层碳原子，是优良的电和热导体。然而，此前人们认为石墨烯对质子是不可渗透的。

研究人员发现，当石墨烯受到光照射时，石墨烯中的电子就会被激发。这些激发的电子然后与质子相互作用，加速它们在材料中的传输。

这一发现可能会对新的可再生能源技术的发展产生重大影响。例如，它可能会导致更高效的氢燃料电池和太阳能水分解装置的开发。

首席研究员Marcelo Lozada-Hidalgo 博士表示：“在分子尺度上了解电极-电解质界面中电子和离子传输特性之间的联系，可以制定新的策略来加速许多可再生能源技术的核心过程，包括氢气的产生和利用。”

石墨烯是一种单层碳原子，是一种优异的电子导体，而且出乎意料的是，它还被发现可以渗透质子。然而，它的质子和电子特性被认为是完全无关的。现在，该团队测量了石墨烯在光照下的质子传输和电子特性，发现用光激发石墨烯中的电子会加速质子传输。

这种联系的确凿证据是对质子传输中称为“泡利阻塞”的现象的观察。这是石墨烯的一种不寻常的电子特性，在质子传输中从未观察到。从本质上讲，可以将石墨烯中电子的能量提高到石墨烯不再吸收光的程度，从而产生“阻挡”。研究人员证明，通过提高石墨烯中电子的能量，光驱动的质子传输也会发生同样的阻塞。这一意想不到的观察结果表明，石墨烯的电子特性对其质子渗透特性很重要。

该研究的共同第一作者黄士奇博士表示：“我们很惊讶我们的质子传导装置的光响应可以用泡利阻挡机制来解释，而迄今为止这种机制仅在电子测量中见过。这提供了关于质子、电子和光子如何在原子薄界面中相互作用的见解。”

“在我们的设备中，石墨烯正在受到质子的有效轰击，质子会刺穿其电子云。我们惊讶地发现光激发电子可以控制质子的流动，”共同第一作者Eoin Griffin 博士评论道。