所有作者中文署名!南京大学「国家杰青」高力波/袁国文Nature子刊 | 二维晶体催化氢转化为质子!
- 2026-04-10 03:54:13
所有作者中文署名!南京大学「国家杰青」高力波/袁国文Nature子刊 | 二维晶体催化氢转化为质子!
【做计算 找华算】华算科技预存增值高至30%，送￥8500+返利！Nature/Science课题组长期合作，全年科研无忧，快来抢占! 具有原子级厚度的二维（2D）晶体极大缩短了气体传输路径，使其在分离膜应用中极具前景。尽管石墨烯等无缺陷2D晶体长期被认为对所有气体均不可渗透，但近期研究表明，原始单层石墨烯可在室温下允许氢气渗透。然而，渗透物种的具体形式及其在其他2D材料中的普适性仍不明确。 2026年3月28日，南京大学高力波、袁国文在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Two-dimensional crystals catalyse hydrogen into protons》的研究论文，Jie Xu、Wenna Tang、Weilin Liu、Yu Jiang、Qianglong Fang为论文共同第一作者，高力波、袁国文为论文共同通讯作者。 
在本文中，作者报道了氢气在不同二维（2D）晶体中的高温渗透行为，石墨烯的氢气渗透率以质子形式可高达1017 s-1 m-2。该过程由三个关键步骤证实：2D晶体辅助将氢气催化解离为质子、质子穿透二维晶体晶格、以及质子渗透后重新复合。有趣的是，活化能不随2D晶体的层数变化，但渗透率和活化能可通过材料种类、吸附的金属纳米颗粒和外部气氛进行调控。这些发现揭示了催化驱动的质子渗透机制，从根本上深化了对氢气穿透2D晶体过程的理解。 兼具超高渗透率、选择性与稳定性的高性能膜是膜分离技术的核心。石墨烯及其他2D晶体具有原子级厚度，可最小化气体传输路径并显著降低能耗，是下一代分离膜的理想候选材料。然而，传统观点认为无缺陷石墨烯对所有气体分子完全不渗透，这源于其致密的六方晶格与离域π电子云。传统策略聚焦于通过化学或结构改性进行刻意缺陷工程，破坏石墨烯本征原子排布，这会导致孔径不均，同时损害石墨烯的稳定性与寿命。 具有原子完美sp2杂化六方晶格、孔径分布均匀、亚埃级结构规整性的原始石墨烯，是分子筛分的理想框架。新兴实验研究开始探索此类无缺陷石墨烯的分离性能。近期工作证实了无缺陷单层石墨烯上氢气分子（H2）在室温下存在协同催化解离-渗透过程。这一发现为石墨烯基渗透膜的发展提供了新见解。该过程的关键前提是氢气在石墨烯表面的催化解离，而石墨烯传统上被认为是化学惰性的。基于室温氢气渗透的初步报道，深入理解无缺陷石墨烯及相关二维晶体的本征催化-渗透性能至关重要。然而，若干关键问题仍待解决：（1）石墨烯在高温下的催化-渗透稳定性；（2）氢气解离的具体物种；（3）材料层数的影响；（4）调控渗透势垒的策略；（5）二维晶体的普适性。阐明这些问题对于深化机理理解、推广所观察到的行为至关重要，并对高温质子传导燃料电池、氢基过程中的催化膜反应器等应用具有潜在意义。因此，亟需系统研究原始石墨烯及相关二维晶体的催化与渗透性能。 
图1：氢气以质子形式穿透石墨烯。(a)氢气穿透石墨烯机理示意图：质子直接穿透（势垒Ep）、H2分子催化解离-穿透-复合（势垒EA）、金属纳米颗粒辅助H2穿透（势垒EA(NPs)）；(b)双层石墨烯内H2气泡结构示意图、光学图与AFM图；(c)不同温度退火后H2气泡高度轮廓变化；(d)连续升温下H2气泡体积演变，700℃开始明显减小；(e)hBN气泡中注入D+后出现HD拉曼峰，直接证明2D晶体可催化解离H2。 
图2：H2以质子形式穿透MoS2。(a)激光局部加热使MoS2内H2气泡缩小示意图；(b)532 nm激光不同照射时间下单层MoS2中H2气泡高度变化；(c)Nafion质子交换膜覆盖的气泡在激光下平稳缩小，质子可穿透；(d)PMMA覆盖的气泡因质子无法穿透而局部破裂，证实穿透物种为质子。 
图3：H2穿透不同2D晶体的活化能。(a)双层石墨烯中H2渗透速率Γp随温度变化，符合阿伦尼乌斯定律；(b)1-3层MoS2、2-3层石墨烯的Γp温度依赖关系；(c)活化能EA与层数无关，石墨烯≈1.7 eV，MoS2≈1.0 eV；(d)400 ℃/500 ℃下MoS2的Γp随层数指数衰减。 
图4：金属纳米颗粒调控H2穿透2D晶体的活化能。(a)Pt纳米颗粒辅助H2穿透双层石墨烯示意图；(b)纯/负载Pt/Pd/Cr的双层石墨烯Γp温度曲线；(c)负载Pt的1–3层MoS2Γp温度曲线；(d)Pt显著降低EA，Pd小幅降低，Cr基本无影响。 
图5：外场环境调控H2穿透2D晶体。(a)O2氛围下H2穿透双层石墨烯示意图；(b)双层石墨烯在H2、O2、真空下的Γp对比，O2大幅提升速率；(c)双层hBN在H2/O2下的Γp差异；(d)Pt+O2协同使双层石墨烯Γp达～1017s-1m-2。 综上，作者首次系统揭示无缺陷2D晶体可催化氢气解离为质子并实现高效质子渗透，证实石墨烯、hBN、MoS2等多种2D晶体均能将H2催化解离成质子，质子穿过晶格后再复合为氢气，完成完整渗透过程，且活化能不随层数变化，仅由材料本征特性决定。 实验通过氘代标记、电场调控与质子选择性膜验证，明确渗透物种为质子，排除层间通道机制；负载Pt、Pd等金属纳米颗粒可显著降低活化能、提升渗透速率，通入氧气则通过ORR路径进一步将渗透速率提升两个数量级，双层石墨烯在470 ℃下渗透率可达1017 s-1 m-2。该发现颠覆了无缺陷2D晶体对气体完全不渗透的传统认知，建立“催化解离-质子渗透-再复合”的全新机制，阐明材料种类、层数、金属修饰与外场气氛的调控规律，为2D晶体的氢渗透与质子传导提供统一理论框架。 研究突破传统造孔改性思路，为原子级氢分离膜、高温质子传导、催化膜反应器提供全新设计原理，无需开孔即可实现超高通量氢/质子选择性输运，可应用于氢燃料电池、氢气纯化、氢同位素分离、高效制氢与催化合成等领域，大幅降低分离能耗、提升器件能效，推动2D材料在氢能与膜分离产业的规模化应用。 Two-dimensional crystals catalyse hydrogen into protons. Nat. Commun., (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71149-w. #南京大学#高力波#袁国文#催化#Nature子刊 
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