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摘 要：研究小组证实了仅具有一个原子厚度的石墨烯膜可以分离氢和氘，并阐明了其分离机理为氢离子和氘离子通过石墨烯膜的难易程度大不相同的量子隧道效应，有望提高半导体集成电路的耐久性和光纤传播能力，开发氘标记药物，并且有望实现核聚变能源的关键材料氘的廉价提炼方法。
关键字：超薄碳膜、石墨烯膜、量子隧道效应、氘廉价提炼方法、H/D分离机理
研究小组证实了仅具有一个原子厚度的石墨烯膜可以分离氢和氘，并阐明了其分离机理。氘(D2)是氢(H2)的同位素，是核聚变（作为下一代能源备受瞩目）关键材料，此外可用于提高电子设备中所包含的半导体集成电路的耐久性，提高5G/IoT信息社会所需的光纤传输能力以及开发延长药效的氘标记药物。众所周知，低温蒸馏法是一种D2制造方法，它从H2和D2的混合气体中分离出D2。但是由于这种方法需要-250℃的极低温，而且H/D分离能，即分离H和D的能力很低，因此制造成本很高，这就迫切需要开发出基于新操作原理的分离材料和设备。
近年来，有研究提出一个原子厚度的石墨烯膜具有在室温下选择性地允许氢离子通过而不允许氘离子通过的特性，并且具有高H/D分离能，因此人们正在进行相关研究用以制造出在室温下具有高H/D分离能的设备。然而，尽管进行了大量的研究，但尚未有人通过实验证实石墨烯膜的H/D分离能，其分离机理也没有得到阐明。本研究尝试通过实验和理论两种方法阐明石墨烯膜是否具有H/D分离能，并阐明其机理。
研究小组利用固体聚合物型电化学装置作为以实验方式高再现性地验证石墨烯膜的H/D分离能的手段。在装置内产生氢离子和氘离子的电极部位贴上石墨烯膜，通过定量评估通过膜的氢离子和氘离子的量，详细调查了H/D分离能。结果表明，氢离子比氘离子更容易通过石墨烯膜，实验证实了该膜具有H/D分离能（图1）。此外，将得到的实验结果与理论计算进行了比较验证，结果表明，观察到的H/D分离能是由一种被称为量子隧道效应的现象引起的，其中比氘离子轻的氢离子大量通过石墨烯膜。
本研究通过实验和理论两种方法阐明了长期以来备受争议的石墨烯膜H/D分离能及其机理，有望在开发半导体、光通信用材料和氘标记药物等广泛领域实现关键材料D2的廉价制造方法，同时，有望实现核聚变反应堆（作为未来的能源备受瞩目）中氢同位素气体的新型提炼方法。
图1.通过量子隧道效应从氢和氘的混合气体中浓缩分离氘的概念图
氘(D2)作为氢(H2)的同位素，是一种用于提高个人电脑、智能手机等电子设备中半导体集成电路的耐久性，提高5G/IoT时代的大容量高速通信的光纤传播能力以及开发有望小剂量就能长期有效的氘标记药物必不可少的关键材料，同时也是有望成为未来能源的核聚变的原料。
作为一种众所周知的D2制造方法，低温蒸馏法利用H2和D2的沸点差异，提炼和分离由化学交换法和电解产生的H2和D2的混合气体。该方法的问题在于需要冷却到接近H2和D2沸点（约-250℃）的极低温度，并且由于H/D的分离能，即选择性分离H2和D2的能力很低，因此制造成本较高。到目前为止，虽然人们已经开发了各种材料和方法，但并未降低成本，因此，需要一种不同于传统方法的操作原理进行分离的新型解决方案。
近年来，有研究提出，一个原子厚度的石墨烯膜具有在室温下选择性地允许氢离子通过而不允许氘离子通过的特性。石墨烯膜由碳制成，是世界瞩目的纳米碳材料之一，具有一个原子厚度的网状膜结构。一般来说，H2和D2等分子不能通过该石墨烯膜，但小的氢和氘离子可以通过只有一个原子厚度的石墨烯膜的网孔。对于石墨烯膜的H/D分离能的表达机理，此前已经提出了两种主要的理论模型。一个模型是基于氢离子和氘离子对石墨烯膜孔周围的碳原子及其周围物质特异性吸附，由于较轻的氢离子的吸附力较弱，因此与氘离子相比，氢离子很难被“捕获”在石墨烯膜的孔隙周围，而是会直接通过孔隙。另一个模型是基于轻粒子的氢离子和氘离子的波动性导致的“量子隧道效应”，由于这两种离子都是轻粒子，因此它们表现出了很强的波动性，在室温下可以通过只有一个