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发现空位诱导的二维材料薄膜超快离子传输化

信息来源:SYNL更新时间:2021-03-05阅读:274

      纳米孔道中的离子传输对能量存储和转换应用至关重要,如质子和锂离子传导膜分别是燃料电池和锂离子电池的关键材料。杜邦公司生产的Nafion膜是目前最常用的商业质子传导膜,它以磺酸基为质子供体中心,质子通过在纳米孔道中形成的水分子网络来进行传导,质子传导率可达0.2 S/cm。然而,在高温(>80 ºC)和/或低湿条件下,由于含水量的降低,其性能会发生严重衰减。近年来,人们又发展了多种质子传导膜,包括基于MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。这些膜材料也均以官能团(如磷酸基、羧基、羟基等)作为质子供体中心,但其性能较Nafion膜仍有很大差距。

      先进炭材料研究部石墨烯等二维材料研究团队制备出一类由二维过渡金属磷硫化物(MPX3,其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等,X = S 或 Se)纳米片组装而成的膜,发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能。例如,Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜为质子传输占主导的离子导体,在90 ℃和98 %相对湿度条件下的传导率高达0.95 S/cm,是目前已报道的水相质子传输材料的性能最高值,并且在低温、低湿条件下仍保持了很高的质子传导率。进一步研究发现,Cd空位不仅提供了大量的质子供体中心,而且使该薄膜具有优异的水合性质,且质子在水分子的存在下易于从空位处脱附,从而使薄膜表现出优异的质子传导特性。此外,他们还发现Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的锂离子传导特性,证明了空位诱导离子快速传输的普适性。

      空位诱导离子快速传输为设计与开发高性能离子传导膜提供了一种新思路。该工作于2020年10月30日发表在《科学》 (Science, 370 (2020) 596)上,《Science》同期配发了Perspective,以“Speeding protons with metal vacancies”为题对该工作进行了评述和展望。

图1 Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片组装膜及其离子传输性能(98%相对湿度)