Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Yang Yong vom Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Rolle benachbarter Adsorbate und des Quantentunnelns bei der Diffusion von Wasserstoff auf einer Graphenoberfläche aufgedeckt, was einen möglichen Weg für ultrahohe Präzision eröffnet Messung basierend auf atomaren Systemen, insbesondere zur Untersuchung der Existenz einer Mindestlänge.
Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry C.
Wasserstoff, das leichteste Element, weist in seinen dynamischen Prozessen eine Quantenbewegung auf, die als Kernquanteneffekt bekannt ist. Die von Yangs Team durchgeführte Studie zeigt die entscheidende Rolle des Quantentunnelns bei der Aktivierung von Wasserstoffdissoziations- und -diffusionsprozessen auf Kupferoberflächen. Auf Graphenoberflächen zeigt Wasserstoff je nach Bedeckung unterschiedliche Aggregationszustände.
Um die Diffusion von Wasserstoff in verschiedenen Aggregatzuständen auf einer Graphenoberfläche zu untersuchen, verwendeten die Forscher First-Principles-Berechnungen zusammen mit der Transfermatrix-Methode. Sie untersuchten die Quantentunneleffekte auf die Wasserstoffdiffusion, indem sie Übertragungswahrscheinlichkeiten, Geschwindigkeitskonstanten und Diffusionskoeffizienten berechneten und dabei Wasserstoffatome als klassische bzw. Quantenteilchen betrachteten.
Die Adsorption von Wasserstoffatomen an benachbarten Adsorptionsstellen wird die kinetischen Eigenschaften der diffundierenden Wasserstoffatome auf einer Graphenoberfläche erheblich verändern. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung zwischen benachbarten Wasserstoffatomen ein Schlüsselfaktor für die Variation der Diffusionsbarrierehöhe ist.
Bei der Diffusion von Wasserstoffatomen in verschiedenen Aggregatzuständen zeigt der Vergleich der Diffusionswahrscheinlichkeit, der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff als klassischem Teilchen und Quantenteilchen, dass Quantentunneln bei Raumtemperatur und darunter eine Schlüsselrolle bei der Diffusion spielt. Auch im höheren Temperaturbereich (ca. 600 K) ist der Beitrag noch nicht vernachlässigbar.
„Unsere Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse zum Verständnis der Diffusionsdynamik von Wasserstoffatomen auf der Graphenoberfläche“, sagte Prof. Yang.
Mehr Informationen:
Yangwu Tong et al, Wasserstoffdiffusion auf Graphenoberfläche: Die Auswirkungen benachbarter Adsorbate und Quantentunneln, Das Journal of Physical Chemistry C (2024). DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c05315