近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心任文才、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)制備出一類由二維過(guò)渡金屬磷硫化物納米片組裝而成的膜，發(fā)現(xiàn)其過(guò)渡金屬空位使該類薄膜具有超快的離子傳輸性能。10月30日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(SCIENCE)以 “Cd空位誘導(dǎo)的高質(zhì)子傳導(dǎo)率的CdPS3納米片薄膜”為題發(fā)表相關(guān)成果。
納米孔道中的離子傳輸對(duì)能量存儲(chǔ)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(guò)在納米孔道中形成的水分子網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳導(dǎo)，質(zhì)子傳導(dǎo)率可達(dá)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減。近年來(lái)，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(tuán)(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。
研究人員發(fā)現(xiàn)，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(duì)濕度條件下的傳導(dǎo)率高達(dá)0.95 S/cm，是目前已報(bào)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(jìn)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，這為設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了一種新思路。(記者 郝曉明)
關(guān)鍵詞： 高性能離子傳導(dǎo)膜
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