Nature Nanotechnology：石墨烯膜的質子傳輸的巨大光效應

【引言】

近年來的實驗已經證實，即使沒有晶格缺陷，石墨烯單分子對熱質子的傳輸也非常通透。研究發現，通過石墨烯的質子傳輸過程是能量相對較低的，約為0.8eV的能量勢壘熱激活的。對氫同位素氘的進一步測量表明，這種勢壘實際上比測量的活化能要高0.2eV，因為在實驗中使用的質子傳導介質中，質子的初始狀態被氧鍵的零點振蕩提升了。石墨烯屏障的最終值比理想石墨烯的理論值低(至少30%)，這引發了一場關於質子滲透的精確微觀機制的爭論。例如，最近有人提出，石墨烯的氫化可能是這一過程中的另一種要素。獨立於相關機制的基本原理，石墨烯膜的高質子導電性結合其對其他原子和分子的不透性，表明它們在各種應用中的可能性，包括燃料電池技術和氫同位素分離。例如，有人認為，基於化學氣相沉積石墨烯的大規模生產薄膜是可以極大地提高效率，降低重水生產的成本的。

【成果簡介】

近日，來自英國曼徹斯特大學的Marcelo Lozada-Hidalgo教授和Andre K. Geim教授等人在Nature Nanotechnology上發表文章，題為Giant photoeffect in proton transport through graphene membranes。研究人員報告說，通過用可見光照射，Pt納米粒子修飾的石墨烯可以增強質子的傳輸能力。利用電子測量和質譜分析，研究人員發現~104A W-1的光響應度，這就意味著每個光子在微秒範圍內可以轉化為104個質子。這些特性與可以基於硅和二維材料的電子傳輸的光電探測器相媲美。光質子效應對石墨烯在燃料電池和氫同位素分離中的應用很重要。研究人員發現其也可能對其他的應用產生作用，例如光誘導水分解，光催化和新的光電探測器。

【圖文導讀】

圖1. 通過用Pt納米粒子激活的石墨烯，對質子傳輸的影響

a, 暗態和亮態下的器件電流——電壓特性；上插圖，測試搭建示意圖，下插圖，低偏壓下的光子——質子效應；

b, 在不同偏壓下質子電流密度I與照射能量P的函數關係，插圖為光子——質子效應可描述為I ∝ P1/4；

c, 在2.6V偏壓下照射1分鐘電流密度I的變化，插圖展示了在0.4V的偏壓以及持續的照射下亮態電流仍然保持穩定。

圖2. 由質譜分析和微秒時間反應所觀察到的光質子效應

在暗態和亮態條件下，採用0-3V的範圍內的偏壓，氫的通量與電流密度的關係，上插圖為在偏壓2.3V下，改變照射的ON和OFF時同時記錄的I（黑）與Φ（紅）的原始數據，下插圖為在2.8V以及1KHz消減照射下的質子電流的頻率響應。

【總結】

眾所周知，金屬納米粒子可以在底層石墨烯上進行研究，從而在石墨烯周圍的石墨烯區域內形成一個平面電場。這種內建的結的照射會在石墨烯中產生長壽命的(＞1 ps)的熱電子，這些電子產生的光電壓類似於半導體p-n結的照射。石墨烯的光電電壓Vph與它的電子溫度Te成正比。研究人員相信這種局部電壓會影響質子的滲透。如果使用Pd、Ni或Pt納米金屬——用電子來表示石墨烯中摻雜的金屬——平面電場會吸引光產生的電子到納米粒子並且空穴遠離。因此，與整個石墨烯膜的負電壓類似，這種局部電壓Vph也應該將質子和電子向納米粒子輸送，這就使得電子質子轉化成原子氫的速度提高了。光電壓可以影響後一種速率，因為通過石墨烯進行質子滲透的速率是1013-1014s-1的數量級，這比熱電子的壽命要快100倍。相比之下，如果使用Au的納米粒子，光產生的電子就會向相反的方向移動，而Vph則出現在納米粒子上，這並不會導致光電流，與在設備上的正外電壓的情況一樣。這種情況的發現，為這一機制提供了強有力的支持。此外，這個模型並不意味著E的變化，模型解釋了光電效應在所有偏差中的存在，並與穩定的質子流一致。它也解釋了研究人員所觀察到的I ∝ P1/4。在石墨烯中，電子溫度取決於照明功率密度，它是Te∝ P1/n,其中n ＞3。因此，研究人員得到了Vph∝ Te∝ P1/n和I ∝ P1/n。總之，機制與所有的實驗觀測結果一致。

注：本文由新能源前線Z. Chen編輯整理，僅供學術交流。

歡迎高校和科研院所的學者們投稿，新能源前線致力於推動科技成果的宣傳和轉化。

有話想說，歡迎給小編留言，感謝您對新能源前線的關注與支持！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！