美国国家石墨烯研究所（National Graphene Institute）的研究人员发现了一个可能彻底改变能源利用和信息计算的新技术。他们发表在 Nature 杂志上的研究揭示了电场效应如何选择性地加速石墨烯中的耦合电化学过程。
电化学过程在电池、燃料电池和电解槽等可再生能源技术中至关重要。然而，它们的效率往往受到反应缓慢和不必要的副作用的阻碍。传统的方法主要集中在新材料上，但仍然存在巨大的挑战。
由马塞洛-洛萨达-伊达尔戈博士领导的曼彻斯特团队采取了一种新颖的方法。他们成功地解耦了石墨烯电极中电荷和电场之间不可分割的联系，实现了对这种材料中电化学过程前所未有的控制。这一突破挑战了以往的假设，为能源技术开辟了新的途径。
Lozada-Hidalgo 博士认为这一发现具有变革性，他说："我们成功地打开了一个以前无法进入的参数空间。一种形象化的方法是想象乡间有丘陵和山谷的田野。通常情况下，对于给定的系统和给定的催化剂，电化学过程会以固定的路径穿过这片田野。
这项研究的重点是对氢催化剂和电子设备至关重要的质子相关过程。具体来说，研究小组研究了石墨烯中的两个质子过程：
质子传输： 这一过程对于开发新的氢催化剂和燃料电池膜非常重要。
质子吸附（氢化）： 该过程可开关石墨烯的导电性，对晶体管等电子设备非常重要。
传统上，这些过程在石墨烯器件中是耦合的，因此要在不影响其他过程的情况下控制其中一个过程具有挑战性。研究人员设法将这些过程解耦，发现电场效应可以显著加速质子传输，同时独立驱动氢化。这种选择性加速是意料之外的，它提供了一种驱动电化学过程的新方法。
论文第一作者童博士强调了这一研究成果在能源应用领域的广泛意义，他说："我们证明了电场效应可以分解和加速二维晶体中的电化学过程。这可以与最先进的催化剂相结合，高效地驱动二氧化碳还原等复杂过程，而这些过程仍然是巨大的社会挑战。
共同第一作者傅博士指出了石墨烯在计算领域的潜在应用，他说："对这些过程的控制使我们的石墨烯器件具有双重功能，既可以作为存储器，也可以作为逻辑门。这为利用质子运行的新型计算网络铺平了道路。这可以实现紧凑、低能耗的模拟计算设备"。
原文链接：Jincheng Tong et al, Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07435-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07435-8
