Stone–Wales Defects Cause High Proton Permeability and Isotope Selectivity of Single-Layer Graphene
Y. An, A. F. Oliveira, T. Brumme, et al.
摘要
尽管石墨烯膜在常温下的同位素依赖性氢渗透性已被证实，但其潜在机制在过去五年中一直存在争议。报道的室温质子-氘核（H⁺-over-D⁺）选择性为10，远高于任何其他竞争方法。然而，质子如何穿透石墨烯膜仍未被完全理解——提出的假设包括原子缺陷和局部氢化。然而，这些假设都无法同时解释原子级薄膜的高渗透性和高选择性。本文证实，理想石墨烯对质子几乎是不可渗透的，但sp²碳中最常见的缺陷——拓扑Stone-Wales缺陷——的计算穿透势垒低于1 eV，且在室温下的H⁺-over-D⁺选择性为7，从而解释了迄今为止所有关于石墨烯膜的实验结果。与之竞争的解释——局部氢化——虽然降低了穿透势垒，但显示出显著较低的同位素选择性，因此受到质疑。