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Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene

石墨烯 化学物理 材料科学 质子输运 质子 离子 催化作用 电解质 纳米技术 化学 电极 物理 物理化学 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Jincheng Tong,Yang Ming Fu,Daniil Domaretskiy,Flaviano Della Pia,Parveen Dagar,L. Powell,Daniel Bahamón,Shiqi Huang,B. Xin,R. N. Costa Filho,Lourdes F. Vega,I. V. Grigorieva,F. M. Peeters,Angelos Michaelides,M. Lozada-Hidalgo
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:630 (8017): 619-624 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41586-024-07435-8
摘要

Abstract The basal plane of graphene can function as a selective barrier that is permeable to protons 1,2 but impermeable to all ions 3,4 and gases 5,6 , stimulating its use in applications such as membranes 1,2,7,8 , catalysis 9,10 and isotope separation 11,12 . Protons can chemically adsorb on graphene and hydrogenate it 13,14 , inducing a conductor–insulator transition that has been explored intensively in graphene electronic devices 13–17 . However, both processes face energy barriers 1,12,18 and various strategies have been proposed to accelerate proton transport, for example by introducing vacancies 4,7,8 , incorporating catalytic metals 1,19 or chemically functionalizing the lattice 18,20 . But these techniques can compromise other properties, such as ion selectivity 21,22 or mechanical stability 23 . Here we show that independent control of the electric field, E , at around 1 V nm −1 , and charge-carrier density, n , at around 1 × 10 14 cm −2 , in double-gated graphene allows the decoupling of proton transport from lattice hydrogenation and can thereby accelerate proton transport such that it approaches the limiting electrolyte current for our devices. Proton transport and hydrogenation can be driven selectively with precision and robustness, enabling proton-based logic and memory graphene devices that have on–off ratios spanning orders of magnitude. Our results show that field effects can accelerate and decouple electrochemical processes in double-gated 2D crystals and demonstrate the possibility of mapping such processes as a function of E and n , which is a new technique for the study of 2D electrode–electrolyte interfaces.
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