膜登上Science综述，亚原子物种传输的现状及未来

【研究背景】

膜是允许运输某些物种，同时限制其他物种的薄的物理屏障。原子厚度的二维（2D）材料是固体晶体，其组成原子粘合在平面2D片中，为实现超薄膜提供了机会，允许选择性地传输亚原子物种。单层石墨烯（碳原子的蜂窝网）和六方氮化硼（h-BN，交替B和N原子的蜂窝网）的原始晶格对氦等小原子（在室温下）不渗透，但允许电子的能量依赖传输以及质子和氘的电场驱动传输。

通过石墨烯进行能量相关电子传输，加上其原子厚度、对气体渗透性差、高强度和导电性，为克服材料挑战提供了机会，这些挑战限制了电子显微镜和光谱学向高真空以外的采样环境的进步。通过h-BN、石墨烯、，而其他即使对小原子也不透水的2D材料可以通过提供途径来解决传统质子交换膜中交叉和阳离子选择性差的持续问题，从而有助于推进能量储存和转换过程，这些问题通常会导致长期效率下降。通过h-BN和石墨烯的选择性质子和氘输运速率的差异为在当前能源极度密集的过程中推进同位素分离提供了变革性的机会。

【成果简介】

近日，美国范德堡大学Piran R. Kidambi教授团队综述了使用石墨烯或六方氮化硼（h-BN）等原子厚度的二维材料分离亚原子物种（包括电子、氢同位素和气体）的进展。作者探讨了扩大了这些尺寸薄膜的制备及其在能源、显微镜和电子学相关应用中的潜在用途。该文章近日以题为“Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications”发表在知名顶刊Science上。

【图文导读】

图一、通过石墨烯和h-BN原子薄晶格的传输

图二、质子透过二维材料的实验与理论研究

图三、大面积原子薄二维材料的合成与加工

图四、质子通过原子薄膜传输的应用

图五、原子薄膜在透射电子显微镜上的应用

【全文总结】

亚原子物种通过石墨烯和h-BN选择性迁移为几个领域的突破性进展提供了潜力。然而，对运输机制的详细见解仍在研究中。大面积能源相关应用需要在可扩展、经济高效的2D材料合成和膜制造方面取得进展。然而，了解可拓展合成过程中不可避免的缺陷的影响，以及由此产生的与原始材料相比运输特性的差异至关重要。还需要进行研究，以评估2D材料在现实应用条件下的长期耐久性。与现有技术相比，H⁺/D⁺同位素分离最有可能实现快速发展和商业化，因为与现有技术相比，能源消耗可能会大幅降低，而且这些方法也可能用于氚去污工作。考虑到商业化生产大面积CVD石墨烯和h-BN的工艺已经开始成熟，并且已经证明了使用热压和层压以及聚合物浇铸的简易膜制造，这些颠覆性创新可能在不久的将来部署在核工业中。预计在未来5至10年内，将2D材料纳入流动电池、燃料电池和质子泵的质子交换膜将变得可行，扩大生产规模可带来规模经济效益，并考虑在整个应用生命周期内节约能源。需要进行进一步的研究，为这些应用中的每一项提供信息和指导技术进步，包括在实际条件下进行长期耐久性研究，以评估材料性能、设备集成方法以及实际应用中的膜制造工艺。

文献链接：Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications (Science 2021, doi: 10.1126/science.abd7687)

本文由大兵哥供稿。

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