实现氢分子在无缺陷石墨烯下的稳定封装

近日，南京大学物理学院高力波课题组与合作者利用等离子体处理技术，在无缺陷石墨烯与基底之间成功封装氢分子，形成稳定的石墨烯气泡。该工作首次实现了氢分子在完美石墨烯下的稳定封装，为研究氢分子在受限空间中的物理化学性质提供了理想的平台，也为未来氢能源的储存与运输提供了新的思路。

氢分子是最小的分子，具有极高的扩散速率和化学活性，难以被限制在特定空间内。传统方法如金属或聚合物封装难以避免氢分子的泄漏和材料本身的缺陷干扰。石墨烯作为一种单原子层二维材料，具有极高的机械强度和化学稳定性，是封装氢分子的理想材料。然而，制备无缺陷的石墨烯并实现其与基底之间的氢分子封装极具挑战性。

高力波课题组与合作者提出了一种新颖的方法：利用等离子体处理技术，在石墨烯与基底之间引入氢离子，氢离子在石墨烯与基底之间结合形成氢分子，由于石墨烯的完美无缺陷特性，氢分子被稳定地限制在石墨烯与基底之间，形成石墨烯气泡（图1）。通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等技术，课题组系统研究了石墨烯气泡的形貌、结构、应力分布以及氢分子在气泡中的状态（图2-4）。研究发现，石墨烯气泡的尺寸和密度可以通过等离子体处理条件精确调控（图5）。此外，课题组还观察到明显的同位素效应：氘核形成的石墨烯气泡尺寸远小于质子形成的石墨烯气泡。

图1：等离子体处理技术制备石墨烯气泡示意图。

图2：(a) 石墨烯气泡的AFM图。(b) 气泡高度剖面图。(c) 气泡穹顶的拉曼G峰与2D峰。(d) 拉曼G峰与气泡径向距离的关系。(e) 气泡穹顶应变随气泡径向距离的关系。(f) 不同尺寸石墨烯气泡的拉曼光谱。

图3：(a) 石墨上大量破裂气泡的SEM照片。(b) 理拟合石墨烯、氢化石墨烯、hBN和MoS₂不同尺寸H₂气泡的内压。(c, d) 不同层数气泡破裂的AFM图和相应高度剖面图。(e) 石墨、hBN和MoS₂气泡的穹顶层数统计。(f) 调控等离子体功率实现可控的石墨烯气泡穹顶层数。

图4：(a) 石墨烯气泡在100 ~ 773 K范围内的变温拉曼光谱。(b) 气泡穹顶的拉曼G峰偏移量随温度的变化关系。(c) 不同温度下气泡体积的变化。(d) 不同温度下气泡内压的变化。

图5：(a, b) 控制制备的H₂气泡的密度和尺寸。(c) 不同条件下制备气泡高度的统计图。(d, e) 质子与氘核在相同条件下的光学照片，存在明显的同位素效应。(f) 石墨中H₂的生成速率图，最大速率约为470 s^-1μm^-2。

相关研究成果以“Trapping hydrogen molecules between perfect graphene”为题于8月7日在线发表在《Nano Letters》 [J. Xu et al., Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02321] 。该工作由南京大学高力波课题组、奚啸翔课题组和王雷课题组合作完成。南京大学高力波教授负责课题的总体构思、实验设计以及样品的制备和表征，奚啸翔教授负责文章中低温拉曼部分，王雷教授负责文章中石墨和hBN样品的制备。南京大学物理学院副研究员徐洁、博士研究生刘伟林和唐文娜为论文的共同第一作者，南京大学物理学院高力波教授和博士后袁国文为论文的共同通讯作者。该工作感谢固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持，以及国家自然科学基金委的经费资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02321