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01
2026
-
04
Nat. Commun.: 二维晶体“催化穿透”，从氢气到质子的全新传输机制
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背景
在传统认知中，石墨烯等二维晶体由于其致密的六方晶格和π电子云，被认为对所有气体完全不可渗透。这一观点使得研究者通常依赖“引入缺陷”来实现气体传输，但这往往牺牲材料的稳定性与选择性。然而，近年来的研究发现，二维晶体在特定条件下竟可实现氢气渗透，这一现象挑战了传统理论。但关键问题仍未解决：穿透的究竟是氢分子还是其他物种？其机制是否具有普适性？因此，揭示二维晶体中氢传输的本质机制，对于发展新一代高效分离膜及能源器件具有重要意义。
创新
近日，南京大学高力波教授团队系统揭示了一种全新的“催化驱动质子渗透机制”，改变了对二维晶体传输行为的理解：
三步协同机制：1）二维晶体表面催化H₂解离为质子；2）质子穿透晶格；3）透过后重新结合生成氢气；
“不可渗透”被重新定义：真正穿透的不是氢分子，而是质子，从而绕开了晶格尺寸限制；
高温高通量表现：在约470 °C条件下，氢通量可达 ~10¹⁷ s⁻¹·m⁻²；
材料与界面可调控：
不同二维材料（如二硫化钼、六方氮化硼）具有不同活化能；
金属纳米颗粒（如Pt）可显著增强催化解离能力；
外部气氛与层数影响通量但不改变本征能垒；
该发现本质上将“分子筛分”转变为“催化-转化-传输”的新模式。
意义
该工作在膜科学与能源领域具有深远影响：
提出“催化驱动传输”概念，颠覆传统基于尺寸筛分的气体分离逻辑；
证明二维晶体并非“绝对屏障”，而是可被激活的功能界面；
为高温氢分离、质子导电膜、膜反应器及燃料电池提供新设计思路；
该机制有望推广至其他气体体系，实现更多催化耦合分离过程。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/PrAh4jRSwzo9-_mv8VmerQ
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