Графен менее проницаем для газов, чем стекло толщиной в километр. Но только не для водорода.

 

Бездефектный графен служит непреодолимым барьером для газов, в том числе для самого «пронырливого» – гелия. Исключение составляют молекулы водорода, которые при большем, чем у гелия, размере, казалось бы, должны еще хуже проникать сквозь графеновые соты. Тем не менее водород просачивается, установили физики из Манчестерского университета, Университета Неймегена и Уханьского университета под руководством нобелевского лауреата Андрея Гейма. Они же дали теоретическое объяснение этому явлению. Результаты опубликованы в журнале Nature [1].

Исследования, доказывающие непроницаемость графена для газов, ведутся с 2008 года [2,3,4]. Используемые до сих пор методики позволяли регистрировать потоки газа с точностью от 105 до 106 атомов в секунду через мембраны микрометрового размера. Андрей Гейм и команда нашли способ вести измерения с небывалой чувствительностью – до нескольких атомов в час.

Ученые пробурили в монокристаллическом графите или нитриде бора микрометровые скважины, плотно запечатали их пленкой однослойного бездефектного графена и поместили в атмосферу различных газов: гелий, неон, азот, кислород, аргон, криптон, ксенон и водород. В случае проникновения газа сквозь графен парциальное давление внутри скважины возрастало, пленка выгибалась, что регистрировалось с точность до ангстрема атомно-силовым микроскопом.

Полученные результаты подтвердили полную непроницаемость графена для используемых газов, включая гелий, молекулы которого имеют наименьший размер. Это согласуется с теоретическими расчетами свойственного графену крайне высокого энергетического барьера пропускания атомов и молекул (порядка нескольких электронвольт). «Углерод толщиной в один атом менее проницаем для газов, чем стена из стекла толщиной в один километр», – образно высказался Андрей Гейм.

Поэтому обнаруженный учеными факт существенного – 2х1010 атомов в секунду на квадратный метр – проникновения водорода сквозь графен сперва казался аномальным. «Это был шокирующий результат, – говорит первый автор статьи в Nature, доктор Пэнчжан Сун (Pengzhan Sun). – Молекула водорода существенно больше атома гелия. Если последний не может пройти сквозь графен, как же через него проходят более крупные молекулы?».

Изображение поверхности графенового листа, выполненное методами молекулярной динамики. P.Z. Sun et al. / Nature, 2020.

Противоречивое поведение водорода ученые объяснили особенностями его взаимодействия с поверхностью графена. При нормальных условиях графеновый лист никогда не бывает плоским. Он постоянно пульсирует и покрыт, словно рыбью, нанометровыми складками. Известно, что данные неровности способствуют катализу молекул водорода H2 – их расщеплению на два атома H. Отдельные атомы водорода затем поглощаются складками, при этом принадлежащий водороду электрон становится электроном проводимости графена. Лишившийся электрона водород превращается в протон, в качестве которого и проникает сквозь графен. А то, что графен хорошо пропускает отдельные протоны [5], объясняется их относительно низким энергетическим барьером проникновения (порядка одного электронвольта, в то время как энергетический барьер для молекулы водорода – свыше десяти электронвольт). А когда 2 протона проникли сквозь атомную структуру графена, то на выходе они снова соединяются в молекулу водорода! Вот так вот химия, друзья, хотя тут скорее физика.

- Наша работа предоставляет основу для понимания способности графена работать в качестве катализатора, что должно стимулировать дальнейшие исследования по применению этого свойства в будущем, - сказал Пэнчжан Сун (Pengzhan Sun).

РУСГРАФЕН комментирует:
- Мы вновь восхищены остроумием и изяществом, с которыми исследовательская команда Андрея Гейма ставит свои эксперименты. Очередных статей коллег из Манчестерского университета мы ждем с нетерпением, словно новых серий любимого сериала.
Одно из множества удивительных свойств графена нашло своей предварительное объяснение. Надеемся, это ускорит процесс разработки недорогих эффективных и экологичных графеновых заменителей платины, используемой сейчас в топливных элементах.

Источники: Nature, The University of Manchester

Литература:
1.    P. Z. Sun et al. Limits on gas impermeability of graphene. Nature 579, 229–232 (2020).
2.    Bunch, J. S. et al. Impermeable atomic membranes from graphene sheets. Nano Lett. 8, 2458–2462 (2008).
3.    Koenig, S. P., Wang, L., Pellegrino, J. & Bunch, J. S. Selective molecular sieving through porous graphene. Nat. Nanotechnol. 7, 728–732 (2012).
4.    Wang, L. et al. Molecular valves for controlling gas phase transport made from discrete ångström-sized pores in graphene. Nat. Nanotechnol. 10, 785–790 (2015).
5.    Hu, S. et al. Proton transport through one-atom-thick crystals. Nature 516, 227–230 (2014).

 

Спасибо за Ваше обращение
Мы ответим Вам в течение 24 часов
Спасибо
Ждите новостей