膜登上Science綜述，亞原子物種傳輸的現狀及未來

【研究背景】

膜是允許運輸某些物種，同時限制其他物種的薄的物理屏障。原子厚度的二維（2D）材料是固體晶體，其組成原子粘合在平面2D片中，為實現超薄膜提供了機會，允許選擇性地傳輸亞原子物種。單層石墨烯（碳原子的蜂窩網）和六方氮化硼（h-BN，交替B和N原子的蜂窩網）的原始晶格對氦等小原子（在室溫下）不滲透，但允許電子的能量依賴傳輸以及質子和氘的電場驅動傳輸。

通過石墨烯進行能量相關電子傳輸，加上其原子厚度、對氣體滲透性差、高強度和導電性，為克服材料挑戰提供了機會，這些挑戰限制了電子顯微鏡和光譜學向高真空以外的采樣環境的進步。通過h-BN、石墨烯、，而其他即使對小原子也不透水的2D材料可以通過提供途徑來解決傳統質子交換膜中交叉和陽離子選擇性差的持續問題，從而有助于推進能量儲存和轉換過程，這些問題通常會導致長期效率下降。通過h-BN和石墨烯的選擇性質子和氘輸運速率的差異為在當前能源極度密集的過程中推進同位素分離提供了變革性的機會。

【成果簡介】

近日，美國范德堡大學Piran R. Kidambi教授團隊綜述了使用石墨烯或六方氮化硼（h-BN）等原子厚度的二維材料分離亞原子物種（包括電子、氫同位素和氣體）的進展。作者探討了擴大了這些尺寸薄膜的制備及其在能源、顯微鏡和電子學相關應用中的潛在用途。該文章近日以題為“Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications”發表在知名頂刊Science上。

【圖文導讀】

圖一、通過石墨烯和h-BN原子薄晶格的傳輸

圖二、質子透過二維材料的實驗與理論研究

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圖三、大面積原子薄二維材料的合成與加工

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圖四、質子通過原子薄膜傳輸的應用

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圖五、原子薄膜在透射電子顯微鏡上的應用

【全文總結】

亞原子物種通過石墨烯和h-BN選擇性遷移為幾個領域的突破性進展提供了潛力。然而，對運輸機制的詳細見解仍在研究中。大面積能源相關應用需要在可擴展、經濟高效的2D材料合成和膜制造方面取得進展。然而，了解可拓展合成過程中不可避免的缺陷的影響，以及由此產生的與原始材料相比運輸特性的差異至關重要。還需要進行研究，以評估2D材料在現實應用條件下的長期耐久性。與現有技術相比，H⁺/D⁺同位素分離最有可能實現快速發展和商業化，因為與現有技術相比，能源消耗可能會大幅降低，而且這些方法也可能用于氚去污工作。考慮到商業化生產大面積CVD石墨烯和h-BN的工藝已經開始成熟，并且已經證明了使用熱壓和層壓以及聚合物澆鑄的簡易膜制造，這些顛覆性創新可能在不久的將來部署在核工業中。預計在未來5至10年內，將2D材料納入流動電池、燃料電池和質子泵的質子交換膜將變得可行，擴大生產規模可帶來規模經濟效益，并考慮在整個應用生命周期內節約能源。需要進行進一步的研究，為這些應用中的每一項提供信息和指導技術進步，包括在實際條件下進行長期耐久性研究，以評估材料性能、設備集成方法以及實際應用中的膜制造工藝。

文獻鏈接：Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications (Science 2021, doi: 10.1126/science.abd7687)

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