2020年3月11日，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院袁聲軍及英國(guó)曼徹斯特曼徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系A(chǔ). K. Geim共同通訊在Nature 在線發(fā)表題為“Limits on gas impermeability of graphene”的研究論文，該研究使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無(wú)缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實(shí)驗(yàn)高八到九個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究能夠辨別(但沒(méi)有觀察到)每小時(shí)只有幾個(gè)氦原子的滲出，并且此檢出限對(duì)所有測(cè)試的其他氣體(氖氣，氮?dú)?，氧氣，氬氣，氪氣和氙?均有效，氫氣除外。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，并且從基本的角度及其潛在應(yīng)用意義很重要。

從理論上講，單層石墨烯對(duì)原子和分子的滲透構(gòu)成了非常高的能壘。密度泛函理論(DFT)的計(jì)算表明，能壘E至少為幾個(gè)電子伏，這在環(huán)境條件下阻止任何氣體滲透。確實(shí)，可以估算出在室溫下，找到一個(gè)足以穿透任何現(xiàn)實(shí)尺寸的無(wú)缺陷膜的原子，所花費(fèi)的時(shí)間將比宇宙的壽命長(zhǎng)。使用在氧化硅晶圓上蝕刻的微米級(jí)孔實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度，這些孔用石墨烯密封。

在這些測(cè)量中，加壓氣體(例如，氦氣)可能會(huì)沿著SiO2層滲透并逐漸填充微容器，從而形成所謂的納米氣球。使用原子力顯微鏡(AFM)監(jiān)測(cè)了它們?cè)诳諝庵械倪B續(xù)放氣，結(jié)果表明，泄漏僅在SiO2表面發(fā)生，在幾分鐘之內(nèi)發(fā)生，而與用于密封的石墨烯層數(shù)無(wú)關(guān)。這些研究得出的結(jié)論是，石墨烯膜不能滲透所有氣體。通過(guò)在石墨烯納米氣球中產(chǎn)生單個(gè)原子級(jí)缺陷，這進(jìn)一步得到了證實(shí)，這導(dǎo)致了它們相對(duì)快速的放氣/充氣，并證實(shí)了該方法異常高的靈敏度。

無(wú)缺陷的石墨烯對(duì)氦氣的不滲透性

在該研究中，使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無(wú)缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實(shí)驗(yàn)高八到九個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究能夠辨別(但沒(méi)有觀察到)每小時(shí)只有幾個(gè)氦原子的滲出，并且此檢出限對(duì)所有測(cè)試的其他氣體(氖氣，氮?dú)?，氧氣，氬氣，氪氣和氙?均有效，氫氣除外。

氫顯示出明顯的滲透性，即使其分子比氦大，并且應(yīng)該經(jīng)歷更高的能壘。令人費(fèi)解的觀察結(jié)果歸因于一個(gè)兩階段過(guò)程，該過(guò)程涉及分子氫在催化活性石墨烯波紋處解離，然后被吸附的原子以約1.0電子伏特的較低活化能翻轉(zhuǎn)到石墨烯片的另一側(cè)，該值接近以前報(bào)道的質(zhì)子運(yùn)輸。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，并且從基本的角度及其潛在應(yīng)用意義很重要。

室溫下，氫氣可滲透無(wú)缺陷的石墨烯

總而言之，無(wú)缺陷的石墨烯在室溫下完全不滲透所有原子和分子種類，但是氫的滲透不可忽略。如有必要，可以使用雙層石墨烯或其他2D材料(例如單層MoS2)來(lái)阻止氫氣的滲透。

背景

從理論上講，單層石墨烯對(duì)原子和分子的滲透構(gòu)成了非常高的能壘。密度泛函理論(DFT)的計(jì)算表明，能壘E至少為幾個(gè)電子伏，這在環(huán)境條件下阻止任何氣體滲透。但是，到現(xiàn)在為止，還是缺乏有力的證據(jù)。

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