【成果簡介】
清華大學材料學院朱宏偉教授課題組與日本國立物質·材料研究機構（National Institute for Materials Science，NIMS）馬仁志博士和Takayoshi Sasaki教授合作，通過液相剝離法製備了面內氫氧根離子傳導率高達10-1 S/cm的單層LDH納米片，探索了LDH納米片中由二維限域效應引發的高各向異性氫氧根離子傳導，揭示了二維材料的高氫氧根離子定向傳輸特性。研究成果以 「Single-layer nanosheets with exceptionally high and anisotropic hydroxyl ion conductivity」發表在2017年3月的 Science Advances上。
【圖文導讀】
圖1.LDH納米片氫氧根離子傳導機制
A. LDH薄片經液相剝離法變為單層的納米片，獲得面內高氫氧根離子傳導率。
B. Grotthuss氫氧根離子導電機制。
C. 在梳狀電極上對LDH納米片的面內氫氧根離子傳導率進行測量。
圖2. Mg-Al LDH納米片的形貌與性能
A． 原子力顯微鏡（AFM）下的Mg-Al LDH納米片。
B． 掃描電鏡（SEM）下在梳狀電極上沉積的Mg-Al LDH納米片。
C． 原子力顯微鏡（AFM）下在梳狀電極上沉積的Mg-Al LDH納米片。
D．在梳狀電極上沉積的Mg-Al LDH納米片阻抗的Nyquist 圖。右下為高頻部分的放大視圖。
E．不同溼度下Mg-Al LDH納米片面內傳導率對溫度的依賴關係。
【研究內容】
當層狀材料的維度降至其物理極限，由此產生的二維各向異性及限域效應可能會帶來新奇的物理化學特性。基於此，近年來二維材料的研究與應用吸引了廣泛的研究興趣，尤其以在石墨烯、氮化硼、黑鱗、過渡金屬硫化物，以及諸如氧化鈦、鈣鈦礦型氧化物納米片的研究增長最為迅速。前期研究結果表明，層狀雙氫氧化物（layered double hydroxides, LDHs）因在二維主層表面共價鍵合大量羥基官能團而表現出氫氧根離子傳導特性。然而，一般體相層狀LDHs的氫氧根離子傳導率最高僅為10-3 S/cm，對於實際應用於氫氧根離子導體或陰離子交換膜領域來說仍不夠高。
研究發現，通過液相剝離法製備的單層LDH納米片存在極高的面內氫氧根離子傳導率，高達10-1S/cm。該傳導率值為陰離子導體中的最高值，並與商用質子交換膜（例如：Nafion）的質子傳導率可比。所測得的LDH納米片的面內氫氧根離子傳導率要比納米片相互堆疊組成的層狀薄膜的跨膜/跨面傳導率高4~5個數量級，體現出二維材料獨特的各向異性傳導特性。該研究揭示了LDH納米片中由二維限域效應引發的高各向異性氫氧根離子傳導，這一特性可被看做是這種獨特二維納米材料的本徵屬性。LDH納米片優異的氫氧根離子傳導特性使其在用作二維納米構築單元進而組裝高性能氫氧根離子導體或陰離子交換膜用於電化學能量存儲與轉換、催化、傳感以及化學過濾等領域極具前景。
論文第一作者為清華大學材料學院2016年畢業博士生孫鵬展，馬仁志博士與朱宏偉教授為共同通訊作者。研究工作受到國家自然科學基金、新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室自主科研基金的支持。
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