最新Nature：双门控石墨烯中质子传输和氢化的精确控制

一、【科学背景】

石墨烯在环境条件下所有原子和分子都是无法渗透的，但热质子在垂直于其基面方向上是可渗透的。之前的研究认为需要晶格中的针孔才能实现质子传输，但最新研究表明，原始晶格对质子是可渗透的，而晶格中的应变等缺陷会降低传输的能垒。质子可以化学吸附在石墨烯上并对其进行氢化，这个过程会导致石墨烯的导体-绝缘体转变。质子传输与石墨烯氢化过程是两个复杂的相关联的电化学过程。常用的改性方法可以加速质子传输，但是会对石墨烯的其他性质产生影响。因此，如何在不影响其他性质的情况下控制氢化过程，以及避免氢化对石墨烯性能的负面影响也是一个关键问题。

二、【创新成果】

为了解决这一问题，英国曼彻斯特大学的M. Lozada-Hidalgo教授和J. Tong博士在电解质双门控石墨烯器件中通过独立控制电场和载流子密度，实现对质子传输和氢化过程的精确控制，从而加速质子传输并实现对这些过程的选择性驱动。这为基于质子的逻辑和存储石墨烯器件提供了可能性。首次同时实现了逻辑运算与记忆存储这两个计算机的基本功能，为基于石墨烯的器件开发与应用提供了新的方向。相关成果“Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene”发表在Nature。

图1双门控石墨烯器件中的质子传输和氢化的选择性控制 © 2024 Springer Nature Limited

图2双门控石墨烯中独立控制电场E和电荷密度n对质子和电子输运的影响 © 2024 Springer Nature Limited

图3双门控石墨烯中质子传输和氢化的稳健而精确的切换，实现了基于质子的逻辑和存储器件 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

在这项工作中，双门控石墨烯器件通过对E和n的独立控制实现了精确的质子输运和氢化控制。在双门控石墨烯中，质子电流可以用于执行逻辑操作，为二维电化学材料的研究提供了新的方法和思路。这项工作报告的质子输运和氢化的选择性加速表明，类似的二维晶体器件可能有选择性地驱动其他耦合的界面过程。从根本上讲，这项工作扩展了研究二维晶体中电化学过程的参数空间。

原文详情：Tong, J., Fu, Y., Domaretskiy, D. et al. Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene. Nature 630, 619–624 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07435-8