Article (Périodiques scientifiques)
Quantum tunneling of thermal protons through pristine graphene
POLTAVSKYI, Igor; TKATCHENKO, Alexandre; Mortazavi, Majid et al.
2018In Journal of Chemical Physics, 148 (20), p. 204707
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Mots-clés :
thermal protons transport; graphene; tunneling
Résumé :
[en] Engineering of atomically thin membranes for hydrogen isotope separation is an actual challenge which has a broad range of applications. Recent experiments [M. Lozada-Hidalgo et al., Science 351, 68 (2016)] unambiguously demonstrate an order-of-magnitude difference in permeabilities of graphene-based membranes to protons and deuterons at ambient conditions, making such materials promising for novel separation technologies. Here we demonstrate that the permeability mechanism in such systems changes from quantum tunneling for protons to quasi-classical transport for heavier isotopes. Quantum nuclear effects exhibit large temperature and mass dependence, modifying the Arrhenius activation energy and Arrhenius prefactor for protons by more than 0.5 eV and by seven orders of magnitude correspondingly. Our findings not only shed light on the separation process for hydrogen isotope ions passing through pristine graphene but also offer new insights for controlling ion transport mechanisms in nanostructured separation membranes by manipulating the shape of the barrier and transport process conditions.
Disciplines :
Physique
Auteur, co-auteur :
POLTAVSKYI, Igor  ;  University of Luxembourg > Faculty of Science, Technology and Communication (FSTC) > Physics and Materials Science Research Unit
TKATCHENKO, Alexandre ;  University of Luxembourg > Faculty of Science, Technology and Communication (FSTC) > Physics and Materials Science Research Unit
Mortazavi, Majid;  Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Germany
Zheng, Limin;  Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Germany
Co-auteurs externes :
yes
Langue du document :
Anglais
Titre :
Quantum tunneling of thermal protons through pristine graphene
Date de publication/diffusion :
31 mai 2018
Titre du périodique :
Journal of Chemical Physics
ISSN :
0021-9606
eISSN :
0021-9606
Maison d'édition :
American Institute of Physics
Volume/Tome :
148
Fascicule/Saison :
20
Pagination :
204707
Peer reviewed :
Peer reviewed
Focus Area :
Physics and Materials Science
Projet FnR :
FNR11360857 - Quantum Ion Tunneling And Scattering In Layered Nanomaterials, 2016 (01/03/2017-28/02/2020) - Alexandre Tkatchenko
Disponible sur ORBilu :
depuis le 02 juin 2018

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