2023年10月30日，國際學(xué)術(shù)期刊《Science》在線發(fā)表了我所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進炭材料研究部在二維材料物性研究方面的最新進展“CdPS3 nanosheets-based membrane with high protonconductivity enabled by Cd vacancies”。
納米孔道中的離子傳輸對能量存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用至關(guān)重要，如質(zhì)子和鋰離子傳導(dǎo)膜分別是燃料電池和鋰離子電池的關(guān)鍵材料。杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜是目前最常用的商業(yè)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，它以磺酸基為質(zhì)子供體中心，質(zhì)子通過在納米孔道中形成的水分子網(wǎng)絡(luò)來進行傳導(dǎo)，質(zhì)子傳導(dǎo)率可達0.2 S/cm。然而，在高溫（>80 oC）和/或低濕條件下，由于含水量的降低，其性能會發(fā)生嚴重衰減。近年來，人們又發(fā)展了多種質(zhì)子傳導(dǎo)膜，包括基于MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。這些膜材料也均以官能團（如磷酸基、羧基、羥基等）作為質(zhì)子供體中心，但其性能較Nafion膜仍有很大差距。
最近，沈陽材料科學(xué)國家研究中心任文才、成會明團隊制備出一類由二維過渡金屬磷硫化物（MPX3，其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等，X = S 或 Se）納米片組裝而成的膜，發(fā)現(xiàn)過渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。例如，Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜為質(zhì)子傳輸占主導(dǎo)的離子導(dǎo)體，在90℃和98%相對濕度條件下的傳導(dǎo)率高達0.95 S/cm，是目前已報道的水相質(zhì)子傳輸材料的性能最高值，并且在低溫、低濕條件下仍保持了很高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。進一步研究發(fā)現(xiàn)， Cd空位不僅提供了大量的質(zhì)子供體中心，而且使該薄膜具有優(yōu)異的水合性質(zhì)，且質(zhì)子在水分子的存在下易于從空位處脫附，從而使薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)特性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的鋰離子傳導(dǎo)特性，證明了空位誘導(dǎo)離子快速傳輸?shù)钠者m性。
空位誘導(dǎo)離子快速傳輸為設(shè)計與開發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了一種新思路。《Science》同期發(fā)表了Perspective，以“Speeding protons with metal vacancies”為題對該工作進行了介紹。
2016級博士生錢希堂為論文第一作者，博士生陳龍、尹利長研究員、劉志博副研究員、裴嵩峰項目研究員、博士生KH Thebo參與了該研究。中科院大連化學(xué)物理研究所的侯廣進研究員和博士生李帆對材料進行了NMR分析，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室的宋禮教授和陳雙明副教授對材料進行了同步輻射分析。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項目、中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項目、先導(dǎo)項目以及國家重點研發(fā)計劃等的資助。
Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片組裝膜及其離子傳輸性能（98%相對濕度）
來源：中科院金屬所
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