Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Yang Yong van het Hefei Institute of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft de rol onthuld van aangrenzend adsorbaat en kwantumtunneling bij de diffusie van waterstof op een grafeenoppervlak, wat een mogelijke weg opent voor ultrahoge precisie meting gebaseerd op atomaire systemen, waarbij vooral het bestaan ​​van een minimale lengte wordt onderzocht.

De resultaten zijn gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C .

Waterstof, het lichtste element, vertoont in zijn dynamische processen kwantumbeweging die bekend staat als het nucleaire kwantumeffect. De studie uitgevoerd door het team van Yang toont de cruciale rol aan van kwantumtunneling bij de activering van waterstofdissociatie- en diffusieprocessen op koperoppervlakken. Op grafeenoppervlakken vertoont waterstof verschillende aggregatietoestanden, afhankelijk van de dekking.

Om de diffusie van waterstof in verschillende aggregatietoestanden op een grafeenoppervlak te bestuderen, gebruikten de onderzoekers berekeningen uit de eerste principes in combinatie met de overdrachtsmatrixmethode. Ze onderzochten de effecten van kwantumtunneling op waterstofdiffusie door transmissiekansen, snelheidsconstanten en diffusiecoëfficiënten te berekenen, waarbij waterstofatomen respectievelijk als klassieke en kwantumdeeltjes werden beschouwd.

De adsorptie van waterstofatomen op aangrenzende adsorptieplaatsen zal de kinetische eigenschappen van de diffunderende waterstofatomen op een grafeenoppervlak aanzienlijk veranderen. De interactie tussen aangrenzende waterstofatomen bleek een sleutelfactor te zijn die leidde tot de variatie van de hoogte van de diffusiebarrière.

Bij de diffusie van waterstofatomen in verschillende aggregatietoestanden laat de vergelijking van de diffusiewaarschijnlijkheid, de reactiesnelheidsconstante en de diffusiecoëfficiënt van waterstof als klassiek deeltje en kwantumdeeltjes zien dat kwantumtunneling een sleutelrol speelt bij de diffusie bij kamertemperatuur en lager. Zelfs in het hogere temperatuurgebied (rond de 600 K) is de bijdrage nog steeds niet verwaarloosbaar.

"Onze resultaten bieden nieuwe inzichten in het begrijpen van de diffusiedynamiek van waterstofatomen op het grafeenoppervlak", aldus prof. Yang.

Meer informatie: Yangwu Tong et al, Waterstofdiffusie op grafeenoppervlak:de effecten van aangrenzend adsorbaat en kwantumtunneling, The Journal of Physical Chemistry C (2024). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05315

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry C

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen