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低温AFM助力六方氮化硼气泡中的氢分离研究

在原子尺寸容积内存储微量气体是科研中一项十分有意义的研究。其中,阻隔材料的选择是影响气体存储的重要因素:该材料形成气泡来包覆存储的气体,且在苛刻环境下保持稳定,更重要的是材料本身不能与存储气体有任何的化学或者物理的相互作用。近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王浩敏研究员课题组就这项研究在《自然-通讯》杂志上发表了通过等离子体处理实现六方氮化硼气泡中的氢分离的工作。

单层六方氮化硼(h-BN)是一种由硼氮原子相互交错组成的sp2轨道杂化六边形网格二维晶体材料。在所有现已发现的范德瓦尔斯(van der Waals )单原子层二维材料(2D Materials)中,h-BN是一的绝缘体,因此其被认为是纳米电子器件中理想的超薄衬底或绝缘层材料。此外,h-BN还拥有较高的热稳定性及化学稳定性,使得它被广泛研究并应用于超薄抗氧化涂层。研究表明,h-BN在1100 ℃以下都能很好地发挥其稳定的抗氧化功效。

图1. 通过等离子体技术从甲烷中提取氢气到h-BN夹层中形成气泡

同石墨烯类似,h-BN的六边形网格在结构不被破坏的情况下可以阻止任何一种气体分子或原子穿透其平面,却对直径远小于原子的质子无能为力。这一有趣的特性使之能够被很好地应用于“选择性薄膜”、“质子交换膜”等能源领域。而在本文报道的研究中, 王浩敏研究员团队则巧妙地利用h-BN这一特性,结合等离子体技术,对碳氢化合物气体(甲烷、乙炔)、氩氢混合气进行了“氢提取”,并将其稳定地存储在h-BN表面的微纳气泡中(图1)。

图2. a: 六方氮化硼光学显微镜照片;b: 六方氮化硼34K与33K温度下的低温原子力显微镜形貌图,当温度34K时存在气泡(图中亮色部分);c: 六方氮化硼气泡不同温度下的高度,当温度33K时气泡消失

低温原子力显微镜的测量结果(图2)证实了被六方氮化硼气泡包覆的气体确实是氢气。文章中,作者使用了一套attoAFM I低温原子力显微镜,显微镜可以在闭循环低温恒温器attoDRY1100(attoDRY2100系列)内被冷却到较低的液氦温度。在特定的测量温度下,原子力显微成像结果可以帮助研究者证实在33.2 K ± 3.9 K温度的时候气泡消失,证实了被包覆气体的消失。由于该转变温度与氢气的冷凝温度(33.18K)接近,该实验结果可以证明氢气气体存在与六方氮化硼气泡内。该工作成功地在六方氮化硼内存储了氢气,为未来氢气的存储提供了全新的方法。

参考文献:

Haomin Wang et al, Isolating hydrogen in hexagonal boron nitride bubbles by a plasma treatment, Nat. Commun., 2019, 10, 2815.