研究發現空位誘導的二維材料薄膜超快離子傳輸

2020-11-04 中科院之聲

10月30日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學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取得新進展，相關研究成果以CdPS3nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies為題，發表在Science上。

納米孔道中的離子傳輸對能量存儲和轉換應用至關重要，如質子和鋰離子傳導膜分別是燃料電池和鋰離子電池的關鍵材料。目前，Nafion膜是常用的商業質子傳導膜，它以磺酸基為質子供體中心，質子通過在納米孔道中形成的水分子網絡來進行傳導，質子傳導率可達0.2 S/cm。然而，在高溫（>80 oC）和/或低溼條件下，由於含水量的降低，其性能會發生嚴重衰減。近年來，研究發展出多種質子傳導膜，包括基於MOF、生物材料和氧化石墨烯的膜材料。這些膜材料均以官能團（如磷酸基、羧基、羥基等）作為質子供體中心，其性能較Nafion膜仍有較大差距。

瀋陽材料科學國家研究中心研究員任文才與中科院院士成會明帶領的研究團隊，製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，發現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薄膜為質子傳輸佔主導的離子導體，在90℃和98%相對溼度條件下的傳導率高達0.95 S/cm，是目前已報導的水相質子傳輸材料的性能最高值，且在低溫、低溼條件下仍保持很高的質子傳導率。進一步研究發現， Cd空位不僅提供大量的質子供體中心，而且使該薄膜具有優異的水合性質，且質子在水分子的存在下易於從空位處脫附，從而使薄膜表現出優異的質子傳導特性。此外，研究還發現Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜具有超快的鋰離子傳導特性，證明空位誘導離子快速傳輸的普適性。

空位誘導離子快速傳輸為設計與開發高性能離子傳導膜提供新思路。Science同期發表Perspective，以Speeding protons with metal vacancies為題對該工作進行介紹。

2016級博士生錢希堂為論文第一作者，博士生陳龍、研究員尹利長、副研究員劉志博、項目研究員裴嵩峰、博士生KH Thebo參與該研究。中科院大連化學物理研究所研究員侯廣進和博士生李帆對材料進行NMR分析，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授宋禮、副教授陳雙明對材料進行同步輻射分析。研究工作得到國家自然科學基金委傑出青年科學基金、重大項目，中科院從0到1原始創新項目、戰略性先導科技專項，以及國家重點研發計劃等的資助。

Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片組裝膜及其離子傳輸性能（98%相對溼度）

來源：中國科學院金屬研究所

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